An Ideal Surface Reveals How Active It Is and Why It Degrades: SrTi 0.5 Fe 0.5 O 3−δ Model Thin Film with Atomically Flat Terraces─A Case Study

钙钛矿(结构) 氧化物 化学计量学 化学 薄膜 曲面(拓扑) 电极 氧气 化学物理 表面能 钛酸锶 析氧 反应性(心理学) 理想(伦理) 凝聚态物理 化学工程 工作职能 氧化锶 动力学 工作(物理) 复合氧化物 纳米技术 组分(热力学) 表面改性
作者
Hyunseung Kim,Jiapeng Liu,Kyuseon Jang,Bonjae Koo,Jun Kyu Kim,Jongsu Seo,Chanwon Jung,Pyuck‐Pa Choi,Francesco Ciucci,Woochul JUNG
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (2): 2330-2341
标识
DOI:10.1021/jacs.5c15728
摘要

Surface cation segregation, specifically strontium (Sr), has been identified as a primary factor contributing to the performance degradation of perovskite-based oxide electrodes used in various energy conversion devices. However, due to the complex chemistry and structure of the perovskite oxide surfaces, the mechanisms behind surface segregation and its impact on electrode activity are only partially understood. Moreover, this phenomenon occurs during perovskite synthesis, further complicating the situation. To address this issue, this study implements a controlled approach using a model thin film system composed of SrTi0.5Fe0.5O3−δ (STF50) with a stoichiometric surface and atomically flat terraces, enabling detailed examination. The evolution of surface structure, composition, and oxygen exchange kinetics are observed as a function of temperature and time. By integrating experiments and ab initio simulations, we tackle several fundamental questions, including the evaluation of reactivity for pristine perovskite oxide surface before surface segregation and the correlation between surface segregation at the surface with oxygen exchange kinetics. Our comprehensive analysis clearly reveals that the decline in performance of the perovskite oxide electrodes is primarily attributed to the detrimental effects of Sr-deficiency on the surface, thereby resolving longstanding debates in the field.
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