Interface engineering of bi-layer semiconductor SrCoSnO3-δ-CeO2-δ heterojunction electrolyte for boosting the electrochemical performance of low-temperature ceramic fuel cell

• DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.07.204
• Publication Date: 2021-08-18T13:36:35Z
• Authors: M.A.K. Yousaf Shah; Zuhra Tayyab; Sajid Rauf; Muhammad Yousaf; Naveed Mushtaq; Muhammad Ali Imran; Peter D. Lund; Muhammad Imran As...; Bin Zhu
• Keywords: Composite material; Electrode; Solid Oxide Fuel Cells; Materials Science; 02 engineering and technology; Emergent Phenomena at Oxide Interfaces; Ceramic fuel cell; 7. Clean energy; Electrolytes; Engineering; Oxide Interfaces; Chemical engineering; Ionic conductivity; Electrolyte; Materials Chemistry; FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering; Electrochemistry; Electrical and Electronic Engineering; Optoelectronics; Bi-layer electrolyte; PEM Fuel Cells; ta218; FOS: Chemical engineering; Conductivity; Physics; Semiconductor; Power (physics); Ceramic; Fuel Cell Durability; Materials science; Power density; 3. Good health; Chemistry; Physical chemistry; Fuel Cell Membrane Technology; Physical Sciences; Built-in electric field; Thermodynamics; Heterojunction; 0210 nano-technology; Semiconductor heterojunction

يتم إجراء دراسة مقارنة للتحقيق في الأداء الكهروكيميائي لخلايا الوقود الخزفية منخفضة الحرارة (CFCs) باستخدام إلكتروليتين جديدين مختلفين. أولاً، تم استخدام أشباه موصلات البيروفسكايت SrCo0.3Sn0.7O3-δ كإلكتروليت في مركبات الكربون الكلورية فلورية نظرًا لتوصيلها الأيوني المتواضع (0.1 S/cm) وأظهرت كثافة طاقة مقبولة تبلغ 360 مللي واط/سم 2 عند 520 درجة مئوية. كان أداء الخلية محدودًا في المقام الأول بسبب النقل الأيوني المعتدل في المنحل بالكهرباء. من أجل تحسين الموصلية الأيونية، تتكون استراتيجية جديدة لاستخدام مفهوم الإلكتروليت ثنائي الطبقة الجديد من SrCo0.3Sn0.7O3-δ و CeO2 -δ في مركبات الكربون الكلورية فلورية. نجحت هذه الطبقات الثنائية المكونة من إلكترولين في إنشاء تقاطع غير متجانس مما أدى إلى تحسين كبير في الموصلية الأيونية (0.2 ثانية/سم) وتعزيز جهد الدائرة المفتوحة للخلية من 0.98 فولت إلى 1.001 فولت. علاوة على ذلك، أنتجت مركبات الكربون الكلورية فلورية التي تستخدم إلكتروليت ثنائي الطبقة كثافة طاقة ملحوظة تبلغ 672 مللي واط/سم 2 عند 520 درجة مئوية. تمت دراسة هذا التعزيز للتوصيل الأيوني وكثافة الطاقة وانسداد التوصيل الإلكتروني في الإلكتروليت ثنائي الطبقة عبر آلية محاذاة النطاق بناءً على تقاطع p - n غير المتجانس المقترح. يقدم عملنا منهجية واعدة لتطوير إلكتروليتات متقدمة منخفضة الحرارة لمركبات الكربون الكلورية فلورية.<br/>Une étude comparative est réalisée pour étudier la performance électrochimique des piles à combustible céramiques à basse température (CFC) en utilisant deux nouveaux électrolytes différents. Tout d'abord, un semi-conducteur pérovskite SrCo0,3Sn0,7O3-δ a été utilisé comme électrolyte dans les CFC en raison de sa conductivité ionique modeste (0,1 S/cm) et a démontré une densité de puissance acceptable de 360 mW/cm2 à 520 °C. Les performances de la cellule étaient principalement limitées en raison du transport ionique modéré dans l'électrolyte. Afin d'améliorer la conductivité ionique, une nouvelle stratégie d'utilisation d'un nouveau concept d'électrolyte bicouche consiste en SrCo0.3Sn0.7O3-δ et CeO2-δ dans les CFC. Ces bicouches de deux électrolytes ont établi avec succès une hétérojonction qui a considérablement amélioré la conductivité ionique (0,2 S/cm) et amélioré la tension en circuit ouvert de la cellule de 0,98 V à 1,001 V. De plus, les CFC utilisant l'électrolyte bicouche ont produit une densité de puissance remarquable de 672 mW/cm2 à 520 °C. Cette amélioration de la conduction ionique, de la densité de puissance et du blocage de la conduction électronique dans l'électrolyte bicouche a été étudiée via un mécanisme d'alignement de bande basé sur l'hétérojonction p-n proposée. Nos travaux présentent une méthodologie prometteuse pour le développement d'électrolytes CFC avancés à basse température.<br/>A comparative study is performed to investigate the electrochemical performance of the low-temperature ceramic fuel cells (CFCs) utilizing two different novel electrolytes. First, a perovskite semiconductor SrCo0.3Sn0.7O3-δ was used as an electrolyte in CFCs due to its modest ionic conductivity (0.1 S/cm) and demonstrated an acceptable power density of 360 mW/cm2 at 520 °C. The performance of the cell was primarily limited due to the moderate ionic transport in the electrolyte. In order to improve the ionic conductivity, a new strategy of using a novel bi-layer electrolyte concept consist of SrCo0.3Sn0.7O3-δ and CeO2-δ in CFCs. These bi-layers of two electrolytes have successfully established heterojunction which considerably improved the ionic conductivity (0.2 S/cm) and enhance the open-circuit voltage of the cell from 0.98 V to 1.001 V. Moreover, the CFCs utilizing bi-layer electrolyte have produced a remarkable power density of 672 mW/cm2 at 520 °C. This enhancement of ionic conduction, power density and blockage of electron conduction in the bi-layer electrolyte was studied via band alignment mechanism based on proposed p-n heterojunction. Our work presents a promising methodology for developing advanced low-temperature CFC electrolytes.<br/>Se realiza un estudio comparativo para investigar el rendimiento electroquímico de las pilas de combustible cerámicas de baja temperatura (CFC) utilizando dos electrolitos nuevos diferentes. En primer lugar, se utilizó un semiconductor de perovskita SrCo0.3Sn0.7O3-δ como electrolito en CFC debido a su modesta conductividad iónica (0.1 S/cm) y demostró una densidad de potencia aceptable de 360 mW/cm2 a 520 °C. El rendimiento de la celda estaba limitado principalmente debido al transporte iónico moderado en el electrolito. Con el fin de mejorar la conductividad iónica, una nueva estrategia de uso de un nuevo concepto de electrolito bicapa consiste en SrCo0.3Sn0.7O3-δ y CeO2-δ en CFC. Estas bicapas de dos electrolitos han establecido con éxito la heterounión que mejoró considerablemente la conductividad iónica (0,2 S/cm) y mejoró el voltaje de circuito abierto de la celda de 0,98 V a 1,001 V. Además, los CFC que utilizan electrolito bicapa han producido una notable densidad de potencia de 672 mW/cm2 a 520 °C. Esta mejora de la conducción iónica, la densidad de potencia y el bloqueo de la conducción de electrones en el electrolito bicapa se estudió mediante un mecanismo de alineación de bandas basado en la heterounión p-n propuesta. Nuestro trabajo presenta una metodología prometedora para el desarrollo de electrolitos CFC avanzados de baja temperatura.<br/>