低温セラミック燃料電池の表面空隙工学によるCeO₂コーティングされたSrTiO_3-δにおける素早い陽子輸送経路に関する理論的および実験的研究

科学分野:

• 材料科学
• 電気化学
• 固体化学

背景:

• セラミック燃料電池 (CFC) は,広範囲に普及を妨げている高温の制限に直面しています.
• 効率的な電解質での陽子輸送は,動作温度を下げるために不可欠です.
• 既存の電解質は,適切なイオン伝導性のために高い温度を必要とします.

研究 の 目的:

• 低温セラミック燃料電池のための新しい電解質を開発する.
• ストロンチウムチタナート (SrTiO_3-δ) の表面工学により陽子伝導性を高める.
• 低温でのイオン輸送の改善メカニズムを調査する.

主な方法:

• SrTiO_3-δ電解質の表面工学で,10mol%のCeO₂コーティングがあり,コアシェルのヘテロ構造を形成する.
• 低温 (例えば550°C) でのイオン伝導性と電気化学性能の特徴づけ
• 同位体置換と陽子遮断膜実験で 伝導機構を確認した.
• 密度関数理論 (DFT) の計算により,酸素空位と表面構造の役割を明らかにする.

主要な成果:

• 10mol%のCeO₂をコーティングしたSrTiO_3-δ電解質は,550 °Cで高いイオン伝導率 (0.14 S cm^-1) を達成した.
• 550 °Cで0.81 W cm−2のピーク電力密度が得られた.
• プロトンの伝導が支配的なメカニズムとして確認され,総出力の78%まで貢献しました.
• DFTの計算により,酸素空隙形成エネルギー (3.7 eV) が低下し,CeO₂コーティングにより陽子の輸送が容易になりました.

結論:

• SrTiO_3-δとCeO₂の表面工学は,高性能の低温CFC電解剤のための実行可能な戦略である.
• コア・シェルのヘテロ構造は,インターフェースで酸素の空白を促進し,陽子の移動を高める.
• このアプローチは,CFCの性能を改善するために,従来の大量ドーピング方法に対して,スケーラブルで費用対効果の高い代替手段を提供します.