寻找与 Ni0.8Co0.15Al0.05LiO2 (NCAL) 电极兼容的电解质，并在低温下（<550 °C）具有高离子电导率，对于陶瓷燃料电池 (CFC) 的研究至关重要。在这项工作中，实验和理论分析表明，由 Gd-O 八面体和 Ga-O 四面体组成的高度稳定的单相 Gd3Ga5O12 (GGO) 石榴石结构为离子传输提供了更多的活性位点，从而提高了峰值功率密度 (PPD) 并在低温下获得了稳定的开路电压 (OCV)。独特的内部石榴石结构有效降低了所制备的燃料电池装置的界面阻抗，在三相边界提供了许多活性位点并提高了电化学稳定性。因此，构建的电池可以在 490 °C 时提供 770 mW/cm2 的优异峰值功率密度。此外，X射线光电子能谱、电化学阻抗谱和理论计算进一步证明了GGO的电解质有效性，即使在H2/空气环境下370°C的低温下也能实现稳定的OCV。这项工作有助于提高对单层燃料电池装置潜在机制的理解，这对于进一步开发这种即使在370°C的极低温度下也能实现的潜在能源技术至关重要。
Fig. 1. Schematic diagram of the GGO sample synthesis process using the sol-gel method.
Fig. 2. (a, b) X-ray diffraction pattern and Rietveld Refinement of GGO-based electrolyte sample.
Fig. 3. (a) Scanning electron microscopy (SEM) image of GGO sample; (b‒e) High-resolution TEM image and EDS images of GGO sample; (f‒i) Elemental mapping images of GGO sample.
Fig. 4. (a) XPS survey spectra of the GGO sample; Ga 2p spectra (b), Gd 4d spectra (c) and O 1s (d) spectra of the prepared sample at room temperatur
Fig. 5. Ionic conduction mechanism of GGO-based electrolyte device for ceramics fuel cells.
Fig. 6. (a, b) I-V and I-P characteristics and electrochemical impedance spectroscopy analysis of NCAL/GGO/NCAL fuel cell device; (c) Ionic conductivity analysis (from EIS and from I-V/I-P) of GGO-based electrolyte device at different temperatures under H2/air environment; (d) Durability operation of NCAL/GGO/NCAL fuel cell device at 490 °C.
Fig. 7. (a, b) GGO crystal structure and electronic bandgap of GGO using QUANTUM ATK; (c, d) DOSs of GGO sample and optical bandgap analysis of GGO sample using UV-Vis spectroscopy.
总而言之，制备了单相 GGO 样品并将其用作低温 SOFC 的电解质。宽带隙 GGO 样品通过电阻的电子阻断实现了 770 mW/cm2 的高峰值功率密度，并且由于其带隙存在于宽带隙区域而具有更高的催化活性。宽带隙 GGO 电解质为离子传输创建了一条路径，并通过内置电场抑制电子电导率来促进氧化物离子传输。理论计算证实了宽带隙区域（电子带隙）的存在并支持了我们的实验数据（光学带隙），而 DOSs 分析验证了有助于高离子传输的氧空位的存在，这验证了XPS 数据。此外，单相 GGO 电解质即使在低于 500°C 的温度下也有效，这意味着与其他报告的工作相比，制造的电池有潜力用作燃料电池装置。因此，GGO 已证明，在低于 500°C 的低温下实现出色燃料电池性能的单相材料可用于 LT-SOFC 技术。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jre.2024.10.004
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1002072124003545
Junjiao Li, Muhammad Yousaf, Jahangeer Ahmed, Bushra Bibi, Asma Noor, Norah Alhokbany, Muhammad Sajid, Atif Nazar, M.A.K. Yousaf Shah, Xiaofeng Guo, Xiangqin Ding, Naveed Mushtaq, Yuzheng Lu, Gd3Ga5O12: a wide bandgap semiconductor electrolyte for ceramic fuel cells, effective at temperatures below 500 °C, Journal of Rare Earths, 2024,
ISSN 1002-0721,
