通过低温陶燃料电池的表面空隙工程在CeO₂涂层的SrTiO_3-δ中进行快速质子传输途径的理论和实验研究

科学领域:

• 材料科学
• 电化学
• 固态化学

背景情况:

• 陶燃料电池 (CFC) 面临高温限制,阻碍其广泛采用.
• 在电解质中有效的质子传输对于降低工作温度至关重要.
• 现有的电解质通常需要高温才能达到足够的离子导电性.

研究的目的:

• 开发一种用于低温陶燃料电池的新电解质.
• 通过表面工程增强酸 (SrTiO_3-δ) 的质子导电性.
• 在降低的操作温度下研究改善的离子传输机制.

主要方法:

• 表面工程的SrTiO_3-δ电解质与10mol%的CeO₂涂层,创建一个核心外异构.
• 在低温下 (例如550°C) 描述离子导电性和电化学性能.
• 同位素替代和质子阻断膜实验以确认导电机制.
• 密度函数理论 (DFT) 计算以阐明氧空位和表面结构的作用.

主要成果:

• 在550°C时,以10mol%CeO₂涂层的SrTiO_3-δ电解质实现了高离子导电率 (0.14 S cm^-1).
• 在550°C时达到0.81 W cm-2的峰值功率密度.
• 质子导电被证实是主要的机制,占总输出功率的78%.
• DFT计算显示,由于CeO₂涂层,氧空位形成能量降低 (3.7 eV),并促进了质子传输.

结论:

• 用CeO_{2进行SrTiO3-δ的表面工程是高性能低温CFC电解质的可行策略.}
• 核心外的异构结构促进了接口上的氧气空缺,增强了质子迁移.
• 这种方法为提高CFC性能提供了可扩展和成本有效的替代方法.