Электрокинетические аспекты тройной ионной и электронной проводимости нового нанокомпозитного функционального материала для протонопроводящих керамических топливных элементов

Тройная ионная и электронная проводимость (TIEC) катодных материалов для протонопроводящих керамических топливных элементов (PCFC) является желательным свойством, способствующим пространственному расширению активных центров электрохимической реакции восстановления кислорода. Однако достижение оптимальной TIEC в однофазных материалах представляет собой сложную задачу. Простым подходом, облегчающим оптимизацию TIEC в катодах PCFC, является целенаправленная разработка многофазных катодных материалов. В настоящем исследовании методом инженерии самоорганизации разработан кубически-ромбоэдрический TIEC-нанокомпозит состава Ba(CeCo)₀.₄(FeZr)₀.₁O₃−δ (BCCFZ). Материал состоит из фазы со смешанной ионной и электронной проводимостью BaCo₁−(x+y+z)CeₓFeᵧZr𝓏O₃−δ (M-BCCFZ) и доминирующей протонопроводящей фазы BaCe₁−(x+y+z)CoₓZrᵧFe𝓏O₃−δ (H-BCCZF). Доминирующая церийсодержащая фаза H-BCCFZ повышает концентрацию кислородных вакансий в материале, а также способствует образованию и переносу протонных дефектов; при этом энтальпия протонирования имеет низкое значение −30 ± 9 кДж моль⁻¹. Удельное сопротивление по площади симметричной ячейки BCCFZ составляет 0,089 Ом·см² при 650 °C в атмосфере воздуха с 2,5% H₂O. Пиковая плотность мощности анодоподдерживаемого одиночного элемента с катодом BCCFZ достигает 1054 мВт·см⁻² при 650 °C; стабильная работа сохраняется в течение более 500 ч при 550 °C. Эти характеристики делают BCCFZ подходящим катодным материалом для коммерциализации PCFC.