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佐治亚理工刘美林教授课题组 Small:用于可逆固体氧化物燃料电池的新型质子导体电解质

日期: 来源:化学与材料科学收集编辑:化学与材料科学

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  1. 为了替代传统化石能源以及减少碳排放,对于可再生能源的开发迫在眉睫。基于质子导体电解质的可逆固体氧化物燃料电池是一种可以在较低的运行温度下(450-650°C)将燃料的化学能转化为电能(燃料电池模式)和电能转化为燃料(电解池模式)的清洁高效的能量转化和存储装置。然而同时具有高电导率和高化学稳定性的质子导体电解质材料的缺乏阻碍了高效稳定的可逆固体燃料氧化物电池的发展。

佐治亚理工学院刘美林教授课题组在《Small》期刊上发表了题为“A New Class of Proton Conductors with Dramatically Enhanced Stability and High Conductivity for Reversible Solid Oxide Cells”的文章(DOI: 10.1002/smll.202208064),Zheyu Luo和Yucun Zhou为本文共同第一作者。本文通过调控Mo/W以及Yb共掺杂的比例,精确调节空位缺陷,设计了两种用于可逆固体氧化物燃料电池的新型高性能质子导体电解质:BaMo0.03Ce0.71Yb0.25O3-δ(BM03)以及BaW0.03Ce0.71Yb0.26O3-δ(BW03)。在已知适当的氧空位浓度对电解质的水合以及质子传导至关重要的情况下(公式1),与受主掺杂能创造氧空位不同(公式2),供主的引入会占据材料中的氧空位,从而负面影响电导率(公式3)。实验结果显示,过量的三价受主(Yb)掺杂需要被引入以“中和”供主(Mo/W)带来的氧空位消耗的影响。与传统BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb1711)以及五价Nb/Ta供主掺杂的电解质材料相比,BM/W03在具有与之相似的离子电导率的同时,在高浓度水和二氧化碳环境下表现出了更优异的化学稳定性。基于这两种新型电解质的质子导体可逆固体氧化物电池在燃料电池和电解水模式下都展现了优异的电化学性能和长期稳定性。

图1:电解质的电导率,水合程度,电极化学相容性,以及离子迁移数。

图2:电解质的化学稳定性。

图3:单电池性能。

图4:单电池长期稳定性。


原文链接

https://doi.org/10.1002/smll.202208064


相关进展

上海理工郑时有、上海交大马紫峰、佐治亚理工学院刘美林《ACS Nano》:Sb调控Ni/Mn基层状结构实现高性能钠离子电池正极


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