Boosting oxygen reduction activity and CO2 resistance on bismuth ferrite-based perovskite cathode for low-temperature solid oxide fuel cells below 600 °C

材料科学 氧化物 钙钛矿(结构) 阴极 极化(电化学) 化学工程 催化作用 冶金 化学 电极 物理化学 电化学 生物化学 工程类
作者
Juntao Gao,Zhiyun Wei,Mengke Yuan,Zhe Wang,Zhe Lü,Qiang Li,Lingling Xu,Bo Wei
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:90: 600-609 被引量:24
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.12.004
摘要

Developing efficient and stable cathodes for low-temperature solid oxide fuel cells (LT-SOFCs) is of great importance for the practical commercialization. Herein, we propose a series of Sm-modified Bi0.7−xSmxSr0.3FeO3−δ perovskites as highly-active catalysts for LT-SOFCs. Sm doping can significantly enhance the electrocatalytic activity and chemical stability of cathode. At 600 °C, Bi0.675Sm0.025Sr0.3FeO3−δ (BSSF25) cathode has been found to be the optimum composition with a polarization resistance of 0.098 Ω cm2, which is only around 22.8% of Bi0.7Sr0.3FeO3−δ (BSF). A full cell utilizing BSSF25 displays an exceptional output density of 790 mW cm−2, which can operate continuously over 100 h without obvious degradation. The remarkable electrochemical performance observed can be attributed to the improved O2 transport kinetics, superior surface oxygen adsorption capacity, as well as O 2p band centers in close proximity to the Fermi level. Moreover, larger average bonding energy (ABE) and the presence of highly acidic Bi, Sm, and Fe ions restrict the adsorption of CO2 on the cathode surface, resulting in excellent CO2 resistivity. This work provides valuable guidance for systematic design of efficient and durable catalysts for LT-SOFCs.

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