Unconventional Highly Active and Stable Oxygen Reduction Catalysts Informed by Computational Design Strategies

材料科学 钙钛矿(结构) 催化作用 氧化物 电极 燃料电池 电导率 氧化还原 氧气 化学工程 纳米技术 物理化学 冶金 化学 生物化学 有机化学 工程类
作者
Ryan M. Jacobs,Jian Liu,Beom Tak Na,Bo Guan,Tao Yue Yang,Shiwoo Lee,Greg Hackett,Tom Kalapos,Harry Abernathy,Dane D. Morgan
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:12 (25) 被引量:19
标识
DOI:10.1002/aenm.202201203
摘要

Abstract Discovering and engineering new materials with fast oxygen surface exchange kinetics and robust long‐term stability is essential for the large‐scale, economically viable commercialization of solid oxide fuel cell (SOFC) technology. The perovskite catalyst material BaFe 0.125 Co 0.125 Zr 0.75 O 3 (BFCZ75), predicted to be promising from recent density functional theory (DFT) calculations and unconventional due to its extremely high Zr content and low electronic conductivity, exhibits oxygen reduction reaction surface exchange rates on par with Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 (BSCF) and excellent stability at typical operating temperatures. New composite electrodes are engineered by integrating BFCZ75 with commercial electrode materials La 1– x Sr x MnO 3 (LSM) and La 1– x Sr x Co y Fe 1– y O 3 (LSCF) and achieve high performance as measured by low area specific resistance (ASR) values, with the LSCF/BFCZ75 ASR values comparable to top performing noncomposite electrode materials such as SrCo 0.8 Sc 0.2 O 3– δ , BaNb 0.05 Fe 0.95 O 3– δ and BaCo 0.7 Fe 0.22 Y 0.08 O 3– δ . The use of BFCZ75 as a composite with LSCF achieving low ASR values shows that BFCZ75 is highly active and can easily integrate into existing SOFC material supply chains, lowering the barrier for potential commercial application of new electrode materials. Finally, these findings point to a broader unexplored class of perovskite materials with high fractions of redox inactive species (e.g., Zr, Nb, and Ta) that may unlock new pathways to realizing improved commercial SOFCs.
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