GDC阴极材料在B位点替代的Bi0.5Sr0.5Fe0.9X0.1O3?δ（X = Nb、Sn和Sb）复合材料中的作用及其对IT-SOFCs电化学性能的提升

《ACS Applied Energy Materials》：Role of Cathode Material GDC with B-Site-Substituted Bi0.5Sr0.5Fe0.9X0.1O3?δ (X = Nb, Sn, and Sb) Composites in Enhanced Electrochemical Performance of IT-SOFCs

提升中间温度固体氧化物燃料电池阴极性能的GDC基复合材料研究，通过Sn/Nb/Sb共掺杂BiSFO与GDC复合设计，显著增强氧离子传输及电化学性能。最佳组合为70 wt % Sb掺杂BiSFO与30 wt % GDC复合，实现844 mW/cm2功率密度、4210 mA/cm2电流密度和0.031 Ω·cm2极化电阻。机理分析表明氧空位浓度提升与Sb混合价态相关，阻抗谱显示中间频率过程主导氧表面交换及体扩散，GDC相优化三相界面活性与离子传导，协同效应实现无钴阴极的氧传输提升及热相容性优化。

　　

本研究提出了一种通过使用基于GDC（玻璃态碳化物）的复合材料来提升中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）阴极性能的策略，该复合材料以含有Sn、Nb和Sb替代元素的Bi_0.5Sr_0.5FeO_3?δ（BiSFO）作为阴极材料。这种改进显著增强了氧离子的传输能力和电化学性能。在所有复合材料中，含有70 wt% Sb替代元素的BiSFO和30 wt% GDC的样品表现出最高的功率密度（844 mW/cm²）、电流密度（4210 mA/cm²）以及最低的极化电阻（0.031 Ω·cm²），这得益于氧空位的增加以及Sb元素价态的多样性。详细的电化学阻抗谱分析以及松弛过程和时间分布研究揭示了与氧在表面和体相中的扩散相关的主要中间频率现象。GDC相的引入还提升了三相界面的活性和离子传导性能。B位替代元素与GDC复合材料的协同效应使得阴极材料无需钴元素即可实现更好的氧传输性能，并具备优异的热稳定性，适用于IT-SOFC应用。