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An Active Catalyst for Efficient High‐Temperature Water Splitting on Oxygen‐Ion‐Based Solid Oxide Electrolysis Cells

材料科学 催化作用 分解水 制氢 电解 电解质 化学工程 电解水 法拉第效率 电化学 无机化学 电极 氧化物 功率密度 可逆氢电极 碱性水电解 氧化还原 析氧 高温电解 氢燃料 聚合物电解质膜电解 电催化剂 电流密度 标准氢电极 直接乙醇燃料电池 氧气 纳米颗粒 克拉克电极 高压电解 燃料电池
作者
Yuhe Liao,Feng Zhu,Xirui Zhang,Kang Xu,Yangsen Xu,Xuan Yang,Liyan Chen,Yu Chen
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:21 (46): e07497-e07497
标识
DOI:10.1002/smll.202507497
摘要

Abstract High‐temperature solid oxide electrolysis cells (SOECs) with oxygen‐ion‐conducting electrolytes are highly efficient devices for hydrogen production via water splitting, but currently face significant challenges related to the insufficient catalytic activity and poor stability of the fuel electrode. In this work, the design of Ni‐Zr 0.84 Y 0.16 O 2−δ (YSZ) fuel electrodes modified by a surface catalyst of Pr 0.975 Sm 0.025 O 2‐δ (PSO) nanoparticles are reported, demonstrating significantly enhanced catalytic activity and durability toward water splitting for hydrogen production. The improved catalytic activity and reaction rate can be attributed to the presence of the Pr 3+ /Pr 4+ redox couple and the high concentration of oxygen vacancies, as confirmed by the X‐ray photoelectron spectroscopy, electrochemical impedance spectroscopy, and corresponding distribution of relaxation times analysis. Specifically, a single cell with the PSO catalyst‐coated Ni‐YSZ fuel electrode delivers an impressive peak power density of 1.27 W cm −2 in fuel cell mode, current density of −1.31 A cm −2 at 1.3 V, and excellent operating stabilities at −0.5 A cm −2 for over 200 h at 700 °C for water splitting (50% H 2 O). Moreover, a hydrogen production rate of 3.48 mL min −1 cm −2 at −0.5 A cm −2 and nearly 100% Faradaic efficiency are achieved at 700 °C.
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