Dual‐Doping Induced Synergistic Functionality in a Perovskite Air Electrode for Balanced Performance and Durability in Reversible Protonic Ceramic Cells

材料科学 电极 陶瓷 钙钛矿(结构) 化学工程 电解 氧化物 极化(电化学) 功率密度 燃料电池 密度泛函理论 阳极 电流密度 耐久性 表征(材料科学) 氧还原反应 催化作用 工作(物理) 析氧 纳米技术 能量密度 克拉克电极 氧气 无机化学 电解水 碱性水电解
作者
Qiang Xue,Chenxiao Wang,Ting Chen,Guangjun Zhang,Chaofan Yin,Fengxue Zhang,Yucun Zhou,Xuesong Shen,Lang Xu,Shaorong Wang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.71157
摘要

ABSTRACT The development of high‐performance air electrodes for reversible protonic ceramic cells (RPCCs) is constrained by the inherent trade‐off between electrocatalytic activity and operational stability. To address this challenge, a dual‐doping strategy was employed to dop Ti and Nb into PrBaCo 2 O 5+δ , resulting in a novel triple‐conducting (H + /O 2− /e − ) perovskite air electrode, PrBaCo 1.8 Ti 0.1 Nb 0.1 O 5+δ (PBCTN). The comprehensive characterization study demonstrates that the PBCTN oxide exhibits outstanding stability under high‐temperature and high‐humidity environments and show a polarization resistance as low as 0.06 Ω cm 2 at 700°C. Density functional theory calculations reveal that optimized hydration energy, a more favorable O 2p band center, and accelerated surface reactions enhance the oxygen reduction and evolution kinetics. Through this design, the RPCC with the PBCTN air electrode achieves a peak power density of 1.12 W cm −2 at 700°C in fuel cell mode and a current density of 3.1 A cm −2 at 1.3 V in electrolysis mode, along with stable operation for over 380 h. This work provides insights into concurrently enhancing both activity and stability in electrocatalysts for advanced energy conversion technologies.
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