A defective iron-based perovskite cathode for high-performance IT-SOFCs: Tailoring the oxygen vacancies using Nb/Ta co-doping

阴极 材料科学 钙钛矿(结构) 兴奋剂 氧气 化学工程 物理化学 化学 光电子学 工程类 有机化学
作者
Bayu Admasu Beshiwork,Xinyu Wan,Min Xu,Haoran Guo,Birkneh Sirak Teketel,Yu Chen,Jun Song Chen,Tingshuai Li,Enrico Traversa
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:88: 306-316 被引量:80
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.09.015
摘要

The sluggish kinetics of the electrochemical oxygen reduction reaction (ORR) in intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) greatly limits the overall cell performance. In this study, an efficient and durable cathode material for IT-SOFCs is designed based on density functional theory (DFT) calculations by co-doping with Nb and Ta the B-site of the SrFeO3−δ perovskite oxide. The DFT calculations suggest that Nb/Ta co-doping can regulate the energy band of the parent SrFeO3−δ and help electron transfer. In symmetrical cells, such cathode with a SrFe0.8Nb0.1Ta0.1O3−δ (SFNT) detailed formula achieves a low cathode polarization resistance of 0.147 Ω cm2 at 650 °C. Electron spin resonance (ESR) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis confirm that the co-doping of Nb/Ta in SrFeO3−δ B-site increases the balanced concentration of oxygen vacancies, enhancing the electrochemical performance when compared to 20 mol% Nb single-doped perovskite oxide. The cathode button cell with Ni-SDC|SDC|SFNT configuration achieves an outstanding peak power density of 1.3 W cm−2 at 650 °C. Moreover, the button cell shows durability for 110 h under 0.65 V at 600 °C using wet H2 as fuel.
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