Mechanically‐Enhanced, Single‐Phased, and Triple‐Conducting Air Electrode for Robust Oxygen‐Ion and Proton Conducting Ceramic Cells

材料科学 陶瓷 电极 质子 离子 氧气 光电子学 纳米技术 复合材料 物理化学 有机化学 化学 物理 量子力学
作者
Junbiao Li,Yuan Zhang,Haojie Zhu,Hongxin Yang,Zhipeng Liu,Kuiwu Lin,Hainan Sun,Yunfeng Tian,Suling Shen,Heping Xie,Bin Chen
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (37) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/adfm.202502771
摘要

Abstract Reversible proton‐conducting fuel cells (Re‐PCFCs) are poised to become the next generation of solid‐state ionic devices for direct conversion between hydrogen and electricity. However, their commercialization has been hindered by the absence of a high‐performance triple‐conducting air electrode that combines excellent electrochemical activity with superior mechanical robustness. Here, a robust single‐phased air electrode is successfully developed with its mechanical strength and electrochemical activity greatly co‐enhanced, by employing high valence Nb doping to stabilize the cubic perovskite lattice of pristine BaCe 0.2 Fe 0.8 O 3‐δ . The resulting BaCe 0.1 Fe 0.8 Nb 0.1 O 3‐δ (BCFNb) air electrode demonstrates exceptional mechanical properties in terms of Young's modulus (by 47%) and fracture toughness (by 67%). Meanwhile, the distribution of relaxation times (DRT) and Oxygen temperature‐programmed desorption (O 2 ‐TPD) characterization reveals the enhanced oxygen mobility, surface exchange kinetics, and the mixed conductivity of oxygen ions and protons that synergistically resulted in the remarkably enhanced electrochemical activity—only a low area‐specific resistances of 0.262 Ω·cm 2 at 550 °C, translated into a high power densities of 1.091 W cm − 2 at 650 °C with degradation rates <0.005 mV h − ¹ in fuel cell mode and 0.14 mV h − ¹ in electrolytic mode at 550 °C. These results highlight the potential of single‐phased perovskite as air electrode for mechanically and electrochemically robust Re‐PCFCs.
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