Toward High CO Selectivity and Oxidation Resistance Solid Oxide Electrolysis Cell with High-Entropy Alloy

五元 合金 电解 材料科学 氧化物 化学工程 阴极 尖晶石 无机化学 冶金 化学 电解质 电极 物理化学 工程类
作者
Jun Tang,Na Ni,Baowen Zhou,Chen Yang,Kolan Madhav Reddy,Heng Tu,Yu-Si Liu,Zhe Tan,Longkai Xiang,Haozhen Li,Xing Zhang,Yunyi Zhang,Yixin Li,Hanchao Zhang,Lei Zhu,Zhen Huang
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:14 (5): 2897-2907
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c05972
摘要

Ni-based cermet materials still persist as pronounced challenges for electrocatalysts in solid oxide electrolysis cells (SOECs), due to their insufficient CO2 catalytic efficiency and inferior resistance to oxidation. In this paper, a (Fe,Co,Ni,Cu,Mo) quinary high-entropy alloy is explored as an alternative cathode material, offering enhanced performance in the co-electrolysis of H2O and CO2 for renewable syngas production. In comparison to traditional nickel-based cathodes, an assembled SOEC employing the as-designed quinary high-entropy alloy exhibits a remarkable increase in CO2 conversion capacity and significantly enhanced oxidation resistance. In addition, the electrolysis current density increases by 18%, and a stability test for more than 110 h reveals no degradation. Moreover, the stability can be maintained for up to 40 h even without any protective gas. Morphological and spectroscopic analyses, coupled with density functional theory (DFT) calculations, elucidate that the high-entropy effect facilitates surface electron redistribution, which in turn contributes to the measurable activity by reducing the energy barrier of CO2 activation. Notably, the superior resistance to oxidation primarily originates from the in situ-formed spinel phase under oxidation conditions. This study demonstrates the satisfying performance of high-entropy alloys as cathode materials in SOEC, validating their high application potential in this field.
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