Ni/NiO Exsolved Perovskite La0.2Sr0.7Ti0.9Ni0.1O3−δ for Semiconductor-Ionic Fuel Cells: Roles of Electrocatalytic Activity and Physical Junctions

材料科学 非阻塞I/O 半导体 离子键合 钙钛矿(结构) 氧化物 辅助电极 电解质 化学工程 电极 分析化学(期刊) 光电子学 催化作用 离子 物理化学 冶金 生物化学 化学 物理 量子力学 工程类 色谱法
作者
Zenghui Wang,Yuanjing Meng,Manish Singh,Yifu Jing,M. I. Asghar,Peter D. Lund,Liangdong Fan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (1): 870-881 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsami.2c16002
摘要

A semiconductor-ionic fuel cell (SIFC) is recognized as a promising technology and an alternative approach to reduce the operating temperature of solid oxide fuel cells. The development of alternative semiconductors substituting easily reduced transition metal oxide is a great challenge as high activity and durability should be satisfied simultaneously. In this study, the B-site Ni-doped La0.2Sr0.7Ti0.9Ni0.1O3-δ (LSTN) perovskite is synthesized and used as a potential semiconductor for SIFC. The in situ exsolution and A-site deficiency strategy enable the homogeneous decoration of Ni/NiO nanoparticles as reactive sites to improve the electrode reaction kinetics. It also supports the formation of basic ingredient of the Schottky junction to improve the charge separation efficiency. Furthermore, additional symmetric Ni0.8Co0.15Al0.05LiO2-δ (NCAL) electrocatalytic electrode layers significantly enhance the electrode reaction activity and cells' charge separation efficiency, as confirmed by the superior open circuit voltage of 1.13 V (close to Nernst's theoretical value) and peak power density of 650 mW cm-2 at 550 °C, where the latter is one order of magnitude higher than NCAL electrode-free SIFC. Additionally, a bulk heterojunction effect is proposed to illustrate the electron-blocking and ion-promoting processes of the semiconductor-ionic composite electrolyte in SIFCs, based on the energy band values of the applied materials. Overall, we found that the energy conversion efficiency of novel SIFC can be remarkably improved through in situ exsolution and intentional introduction of the catalytic functionality.

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