质子传导可逆固体氧化物电池 (P-ReSOC) 正受到越来越多的关注，因为它们具有在中等温度下有效运行以降低成本和延长使用寿命的潜力。在这里，我们报告了我们通过仔细操纵缺陷化学来合理设计一系列新的供体和受体共掺杂质子导体的发现。具体来说，BaNb(Ta) _0.05 Ce _0.7 Yb _0.25 O _3-δ在 500℃下暴露于含有 30% H₂O 的 Ar 中 500 h时，表现出高离子电导率 (0.012 S cm^–1 )，同时保持出色的稳定性。相比之下，BaZr _0.1 Ce _0.7 Y _0.1的电阻Yb _0.1 O _3-δ由于与 H₂O的反应，在相同条件下随时间连续增加，如使用基于密度泛函理论 (DFT) 的计算合理化。此外，基于 BaNb _0.05 Ce _0.7 Yb _0.25 O _3-δ的单电池在燃料电池模式下实现了 1.12 W cm ^-2的高峰值功率密度，在 1.3 V下实现了 2.24 A cm ^-2的高电流密度。电解模式在 600℃。总体而言，这项工作为开发用于 P-ReSOC 的高导电性和稳定的质子导体提供了新的见解。 
 
Figure 1. (a) BMCYb172 的体模型（M = Nb、Ta、Zr、Ce）。(b) H₂O 和 (c)在 M 上对 BaO 封端的 BMCYb172 (001) 表面的H₂O 和 (c) CO₂吸附行为以及在 0 K 时相应的 H₂O 和 CO₂反应能 (ΔE_ads ) 作为离子的函数M 的半径。 
 
Figure 2. (a) BNCYb057025、BTCYb057025 和 BZCYYb1711 的 XRD 图谱。(b) BNCYb057025 烧结粉末的 SEM 图像。(c-f) 对应元素的 EDS 映射。(g) BNCYb057025 沿 [1̅01] 区轴与电子束平行对齐的 SAED 图案。(h) HRTEM 图像对应于样品的 [1̅01] 区域轴。
  
Figure 3. (a) BNCYb05、BNCYb10、BTCYb05 和 BZCYYb10 在 500℃下的电导率与 B 位掺杂浓度的函数关系。(b) BNCYb057025、BTCYb057025 和 BZCYYb1711 的电导率随温度的变化。(c) TGA 测量的电解质质子化曲线。(d) 在 1400℃ 下用 NiO 烧制 5 小时后具有不同成分的 BNCYb05 样品的 XRD 图谱。(e) 在电池操作条件下测量的离子迁移数。(f) BNCYb057025 和 BTCYb057025 的电导率在 400-700℃下作为p _O2的函数。
  Figure 4. (a) 放大的 XRD 图案和 (b) BNCYb、BTCYb 和 BZCYYb 颗粒在 500℃下暴露于30% CO₂和 3% H₂O的Ar  300 小时后的钙钛矿 (220) 峰和 BaCO₃峰之间的强度比。(c) BNCYb、BTCYb 和 BZCYYb 在500℃下暴露于 30% H₂O 的 Ar  500 小时后的电阻变化。(d-f) (d) BNCYb、(e) BTCYb 和 (f) BZCYYb 颗粒在500℃下暴露于30% H₂O 的 Ar 500 小时后的电解质表面的 SEM 图像。 
 
Figure 5. 当 H₂O 吸附在 (a) M (Nb, Ta, Zr) 上时，吸水的吉布斯自由能 (ΔG _ads ) 与温度的函数关系，(b) Ce 是 M 的最近邻， (c) Yb/Y 是 BNCYb、BTCYb 和 BZCYYb 中 M 的最近邻。BaO 封端的 BNCYb (001) 表面在 (d) Nb、(e) Ce 和 (f) Yb 上的 H₂O 吸附行为。
  Figure 6. (a-c) (a) Ni-BNCYb/BNCYb/PBCC 单电池、(b) PBCC 空气电极和 (c) Ni-BNCYb 燃料电极的横截面 SEM 图像。(d) 在 500-650℃的燃料电池模式下测量的典型 I-V-P 曲线，燃料电极中有 H₂ (3% H₂O)，空气电极中有环境空气。(e) 在 500–650℃ 的电解模式下测量的典型 I-V 曲线，燃料电极中为H₂ (3% H₂O)，空气电极中为空气 (30% H₂O)。(f) 500–650℃质子传导电解池在 1.3 V 时的电流密度比较。(45−51)(g-i) Ni-BNCYb/BNCYb/PBCC 单电池在 (g) 燃料电池模式下的长期稳定性，燃料电极中 H₂ (3% H₂O) 和空气电极中的环境空气0.5 A cm ^–2和 650 °C，(h) 可逆操作（在电流密度为±0.5 A cm ^–2和 650 °C（空气电极中含有 3% H₂O 的空气），以及 (i)燃料电极中含有 H₂ (3% H₂O) 和空气的电解模式（3 % H₂O) 在 -0.5 A cm ^–2和 500 °C 下的空气电极。
 
      相关研究工作由佐治亚理工学院Meilin Liu课题组于2022年在线发表于《ACS Energy Letters》期刊上，原文：Highly Conductive and Durable Nb(Ta)-Doped Proton Conductors for Reversible Solid Oxide Cells。

转自《石墨烯研究》公众号