Cobalt-free fluorine doped Bi0.7Sr0.3FeO3- oxides for energetic cathodes of low-temperature solid oxide fuel cells

阴极 氧气 氧化物 极化(电化学) 材料科学 吸附 催化作用 阳极 无机化学 化学 化学工程 电极 物理化学 工程类 有机化学 冶金
作者
Juntao Gao,Ying‐Ying Liu,Yuan Gao,Mengke Yuan,Zhe Wang,Zhe Lü,Qiang Li,Bo Wei
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:452: 139584-139584 被引量:116
标识
DOI:10.1016/j.cej.2022.139584
摘要

Cobalt-free fluorine doped Bi0.7Sr0.3FeO3-δ-xFx oxides are presented here as cathode catalysts of low-temperature solid oxide fuel cells (LT-SOFCs). Their crystal structure, thermal behaviors, catalytic activity, oxygen transport properties, oxygen reduction kinetics, long-term stability and CO2 tolerance are systematically exploited. At 600 °C, the optimized Bi0.7Sr0.3FeO2.9-δF0.10 (BSFF0.10) cathode possesses outstanding ORR activity with a low polarization resistance of 0.12 Ω cm2. When tested under realistic conditions, the anode-supported fuel cell with BSFF0.10 cathode delivers a high output of 837 mW cm−2 with stable operation for 110 h. Such outstanding performance can be ascribed to the improved oxygen transport kinetics, larger oxygen vacancy concentration, increased oxygen surface adsorption energy, and O 2p-band centers close to the Fermi level. In addition, the oxygen reduction process on BSFF0.10 electrode interface is mainly determined to be the dissociation of adsorbed molecule oxygen processes. The BSFF0.10 cathode exhibits superior CO2 tolerance because of the lower basicity resulting from the presence of Bi3+, Fe2+/Fe3+/Fe4+ and F−. Although the BSFF0.10 cathode is not reactive with CO2 to form carbonate species, post-characterizations reveal that the CO2 atmosphere can induce the migration of Bi ions to the surface, which in turn affects the performance of the cathode. These results show that fluorine doping is an effective approach to develop highly active and robust cathode for SOFCs.
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