Modulating Metal‐Oxygen Bonds in BaCo 0.4 Fe 0.4 Zr 0.1 Y 0.1 O 3‐δ to Enhance Oxygen Adsorption and Proton Conduction for High‐Performance Protonic Ceramic Fuel Cell Air Electrodes

材料科学 电极 陶瓷 氧气 吸附 化学工程 离子键合 动力学 质子 功率密度 无机化学 热传导 氧还原反应 催化作用 分压 克拉克电极 电化学 离子电导率 燃料电池 氧传感器 纳米技术
作者
Chaofan Yin,Zilin Zhou,Yueyue Sun,Zixuan Xue,Zhengrong Liu,Yanmin Wang,Yuechao Yao,Jiajia Cui,Jun Zhang,Jun Zhou,Kai Wu,Yucun Zhou,Liangfei Xu,Jianqiu Li
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:22 (11): e13237-e13237
标识
DOI:10.1002/smll.202513237
摘要

ABSTRACT Protonic ceramic fuel cells (PCFCs) offer an efficient and low‐emission power generation technology. The air electrode critically governs the oxygen reduction reaction (ORR) kinetics and overall cell efficiency of PCFCs. BaCo 0.4 Fe 0.4 Zr 0.1 Y 0.1 O 3‐δ (BCFZY) perovskite, a triple‐conducting (H + /O 2− /e − ) air electrode material, enables superior ORR kinetics in PCFCs, yet its performance is limited by insufficient ionic conductivity. Here, we develop BaCo 0.4 Fe 0.4‐x Zn x Zr 0.1 Y 0.1 O 3‐δ (BCFZYZnx, x = 0, 0.1, 0.2) air electrodes via controlled Zn‐for‐Fe substitution to tailor metal‐oxygen bonding. Experimental and theoretical analyses reveal that this chemical modification optimizes the electronic structure and enhances surface alkalinity, facilitating hydration and proton conduction. The PCFC incorporating BCFZYZn0.2 air electrode achieves a peak power density of 0.510 W cm −2 at 650°C—36% higher than pristine BCFZY—along with stable operation over 100 h. This study offers a simple and effective strategy for designing highly active and durable air electrodes for efficient oxygen reduction.
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