调控双钙钛矿中高熵组分促进高温析氧反应

冯炜程 于景成 杨溢澜 郭宜阁 邹庚 刘晓菊 陈洲 董坤 宋月锋 汪国雄 包信和

引用本文: 冯炜程, 于景成, 杨溢澜, 郭宜阁, 邹庚, 刘晓菊, 陈洲, 董坤, 宋月锋, 汪国雄, 包信和. 调控双钙钛矿中高熵组分促进高温析氧反应[J]. 物理化学学报, 2024, 40(6): 230601. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306013 shu
Citation:  Weicheng Feng, Jingcheng Yu, Yilan Yang, Yige Guo, Geng Zou, Xiaoju Liu, Zhou Chen, Kun Dong, Yuefeng Song, Guoxiong Wang, Xinhe Bao. Regulating the High Entropy Component of Double Perovskite for High-Temperature Oxygen Evolution Reaction[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(6): 230601. doi: 10.3866/PKU.WHXB202306013 shu

调控双钙钛矿中高熵组分促进高温析氧反应

    通讯作者: 宋月锋, ; 汪国雄,
  • 基金项目:

    国家重点研发计划 2021YFA1502400

    国家自然科学基金 22272176

    国家自然科学基金 22002166

    国家自然科学基金 22125205

    国家自然科学基金 22072146

    国家自然科学基金 22002158

    中国科学院洁净能源创新研究院合作基金 DNL202007

    榆林学院-中国科学院洁净能源创新研究院联合基金 YLU-DNL Fund 2022008

    中国科学院青年创新促进计划 Y201938

摘要: 固体氧化物电解池(SOEC)中阳极析氧反应动力学较为迟缓,限制了SOEC器件电催化转化能力,因此针对阳极材料的改性研究对于进一步提升SOEC电化学性能十分关键。高熵钙钛矿(HEP)在许多反应中表现出良好的催化活性,但在SOEC中的应用鲜有研究。本文通过在双钙钛矿的A位或Aʹ位分别掺杂不同的稀土金属、碱土金属或碱金属离子,合成了(Pr0.2La0.2Sm0.2Nd0.2Gd0.2)BaCo2O6−δ (A-HEP)和Pr(Ba0.2Sr0.2Ca0.2Na0.2K0.2)Co2O6−δ (Aʹ-HEP)两种高熵钙钛矿材料。由于掺杂离子平均半径和氧化态的差异,A-HEP保持四方双钙钛矿相结构而Aʹ-HEP则转变为正交单钙钛矿相。物理化学表征结果表明,A-HEP中Co平均价态更高,Co 2p-O 1s杂化更强,从而增加了电子转移路径并降低了转移能垒。同时,A-HEP中表面氧空位浓度更高,可为阳极析氧反应提供更多的活性位点。因此,在具有A-HEP阳极的SOEC中,与氧输运、电子传输和表界面反应过程相关的阳极极化电阻显著降低,并在800 ℃下实现最高1.76 A∙cm−2的电流密度和200 h的稳定性。本工作为高熵钙钛矿材料在SOEC阳极中的应用提供了新的策略。

English

    1. [1]

      Hauch, A.; Kungas, R.; Blennow, P.; Hansen, A. B.; Hansen, J. B.; Mathiesen, B. V.; Mogensen, M. B. Science 2020, 370, eaba6118. doi: 10.1126/science.aba6118

    2. [2]

      Zheng, Y.; Wang, J. C.; Yu, B.; Zhang, W. Q.; Chen, J.; Qiao, J. L.; Zhang, J. J. Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 1427. doi: 10.1039/C6CS00403B

    3. [3]

      Ebbesen, S.; Jensen, S.; Hauch, A.; Mogensen, M. Chem. Rev. 2014, 114, 10697. doi: 10.1021/cr5000865

    4. [4]

      Song, Y. F.; Zhang, X. M.; Xie, K.; Wang, G. X.; Bao, X. H. Adv. Mater. 2019, 31, e1902033. doi: 10.1002/adma.201902033

    5. [5]

      Hwang, J.; Rao, R. R.; Giordano, L.; Katayama, Y.; Yu, Y.; Shao-Horn, Y. Science 2017, 358, 751. doi: 10.1126/science.aam7092

    6. [6]

      Choi, J.; Park, S.; Han, H.; Kim, M.; Park, M.; Han, J.; Kim, W. B. J. Mater. Chem. A 2021, 9, 8740. doi: 10.1039/d0ta11328j

    7. [7]

      Ai, N.; He, S.; Li, N.; Zhang, Q.; Rickard, W. D. A.; Chen, K. F.; Zhang, T.; Jiang, S. P. J. Power Sources 2018, 384, 125. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.02.082

    8. [8]

      Shao, Z. P.; Haile, S. M. Nature 2004, 431, 170. doi: 10.1038/nature02863

    9. [9]

      Jiang, S. P. Solid State Ionics 2002, 146, 1. doi: 10.1016/S0167-2738(01)00997-3

    10. [10]

      Chen, K. F.; Ai, N.; Jiang, S. P. Int. J. Hydrogen Energy 2014, 39, 0349. doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.05.013

    11. [11]

      Woodward, P. M.; Suard, E.; Karen, P. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 8889. doi: 10.1021/ja034813+

    12. [12]

      Woodward, P. M.; Karen, P. Inorg. Chem. 2003, 42, 1121. doi: 10.1021/ic026022z

    13. [13]

      King, G.; Woodward, P. M. J. Mater. Chem. 2010, 20, 5785. doi: 10.1039/B926757C

    14. [14]

      Karen, P.; Woodward, P. M.; Lindén, J.; Vogt, T.; Studer, A.; Fischer, P. Phys. Rev. B 2001, 64, 214405. doi: 10.1103/PhysRevB.64.214405

    15. [15]

      Karen, P.; M. Woodward, P. J. Mater. Chem. 1999, 9, 789. doi: 10.1039/A809302D

    16. [16]

      Zhukov, V. P.; Chulkov, E. V.; Politov, B. V.; Suntsov, A. Y.; Kozhevnikov, V. L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 2313. doi: 10.1039/D0CP05497F

    17. [17]

      Taskin, A. A.; Lavrov, A. N.; Ando, Y. Prog. Solid State Chem. 2007, 35, 481. doi: 10.1016/j.progsolidstchem.2007.01.014

    18. [18]

      Taskin, A. A.; Lavrov, A. N.; Ando, Y. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 091910. doi: 10.1063/1.1864244

    19. [19]

      Shin, T. H.; Myung, J.-H.; Verbraeken, M.; Kim, G.; Irvine, J. T. S. Faraday Discuss. 2015, 182, 227. doi: 10.1039/C5FD00025D

    20. [20]

      Seymour, I. D.; Tarancón, A.; Chroneos, A.; Parfitt, D.; Kilner, J. A.; Grimes, R. W. Solid State Ionics 2012, 216, 41. doi: 10.1016/j.ssi.2011.09.002

    21. [21]

      Kim, G.; Wang, S.; Jacobson, A. J.; Reimus, L.; Brodersen, P.; Mims, C. A. J. Mater. Chem. 2007, 17, 2500. doi: 10.1039/B618345J

    22. [22]

      Dong, F.; Ni, M.; Chen, Y.; Chen, D.; Tadé, M. O.; Shao, Z. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 20520. doi: 10.1039/C4TA04372C

    23. [23]

      Akande, S. O.; Boulfrad, S.; Schwingenschlö gl, U. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 3560. doi: 10.1039/C5TA06858D

    24. [24]

      Rost, C. M.; Sachet, E.; Borman, T.; Moballegh, A.; Dickey, E. C.; Hou, D.; Jones, J. L.; Curtarolo, S.; Maria, J.-P. Nat. Commun. 2015, 6, 8485. doi: 10.1038/ncomms9485

    25. [25]

      Wright, A. J.; Wang, Q. Y.; Huang, C. Y.; Nieto, A.; Chen, R. K.; Luo, J. J. Eur. Ceram. Soc. 2020, 40, 2120. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.01.015

    26. [26]

      Jiang, S. Y.; Sun, D.; Zhang, Y. Q.; Wang, S. B.; Zhao, C. Z. J. Mater. Sci. 2017, 52, 3199. doi: 10.1007/s10853-016-0609-x

    27. [27]

      Xu, H. D.; Zhang, Z. H.; Liu, J. X.; Do-Thanh, C.-L.; Chen, H.; Xu, S. H.; Lin, Q. J.; Jiao, Y.; Wang, J. L.; Wang, Y.; et al. Nat. Commun. 2020, 11, 3908. doi: 10.1038/s41467-020-17738-9

    28. [28]

      Chen, H.; Fu, J.; Zhang, P. F.; Peng, H. G.; Abney, C. W.; Jie, K. C.; Liu, X. M.; Chi, M. F.; Dai, S. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 11129. doi: 10.1039/C8TA01772G

    29. [29]

      Sarkar, A.; Wang, Q.; Schiele, A.; Chellali, M. R.; Bhattacharya, S. S.; Wang, D.; Brezesinski, T.; Hahn, H.; Velasco, L.; Breitung, B. Adv. Mater. 2019, 31, e1806236. doi: 10.1002/adma.201806236

    30. [30]

      Shi, Y. C.; Ni, N.; Ding, Q.; Zhao, X. F. J. Mater. Chem. A 2022, 10, 2256. doi: 10.1039/d1ta07275g

    31. [31]

      Yang, Q.; Wang, G. Q.; Wu, H. D.; Beshiwork, B. A.; Tian, D.; Zhu, S. Y.; Yang, Y.; Lu, X. Y.; Ding, Y. Z.; Ling, Y. H.; et al. J. Alloy. Compd. 2021, 872, 159633. doi: 10.1016/j.jallcom.2021.159633

    32. [32]

      He, F.; Zhou, Y.; Hu, T.; Xu, Y.; Hou, M.; Zhu, F.; Liu, D.; Zhang, H.; Xu, K.; Liu, M.; Chen, Y. Adv. Mater. 2023, 35, e2209469. doi: 10.1002/adma.202209469

    33. [33]

      Garcı́a-Muñoz, J. L.; Frontera, C.; Llobet, A.; Carrillo, A. E.; Caneiro, A.; Aranda, M. A. G.; Ritter, C.; Dooryee, E. Phys. B 2004, 350, e277. doi: 10.1016/j.physb.2004.03.069

    34. [34]

      Brinks, H. W.; Fjellvåg, H.; Kjekshus, A.; Hauback, B. C. J. Solid State Chem. 1999, 147, 464. doi: 10.1006/jssc.1999.8384

    35. [35]

      Guo, D.; Zhang, M.; Chen, Z.; Liu, X.-X. RSC Adv. 2018, 8, 33374. doi: 10.1039/C8RA07032F

    36. [36]

      Xin, W.-L.; Lu, K.-K.; Zhu, D.-R.; Zeng, H.-B.; Zhang, X.-J.; Marks, R.-S.; Shan, D. Electrochim. Acta 2019, 307, 375. doi: 10.1016/j.electacta.2019.03.196

    37. [37]

      Zhao, K.; Shen, Y.; Huang, Z.; He, F.; Wei, G. Q.; Zheng, A. Q.; Li, H. B.; Zhao, Z. L. J. Energy Chem. 2017, 26, 501. doi: 10.1016/j.jechem.2016.11.016

    38. [38]

      Sunarso, J.; Hashim, S. S.; Zhu, N.; Zhou, W. Prog. Energy Combust. Sci. 2017, 61, 57. doi: 10.1016/j.pecs.2017.03.003

    39. [39]

      Suntivich, J.; Hong, W. T.; Lee, Y.-L.; Rondinelli, J. M.; Yang, W.; Goodenough, J. B.; Dabrowski, B.; Freeland, J. W.; Shao-Horn, Y. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 1856. doi: 10.1021/jp410644j

    40. [40]

      Miao, X.; Wu, L.; Lin, Y.; Yuan, X.; Zhao, J.; Yan, W.; Zhou, S.; Shi, L. Chem. Commun. 2019, 55, 1442. doi: 10.1039/c8cc08817a

    41. [41]

      Luo, Q. X.; Lin, D.; Zhan, W. Q.; Zhang, W. Q.; Tang, L. L.; Luo, J. J.; Gao, Z.; Jiang, P.; Wang, M.; Hao, L. Y.; et al. ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 7149. doi: 10.1021/acsaem.0c01192

    42. [42]

      Grimaud, A.; Diaz-Morales, O.; Han, B.; Hong, W. T.; Lee, Y. L.; Giordano, L.; Stoerzinger, K. A.; Koper, M. T. M.; Shao-Horn, Y. Nat. Chem. 2017, 9, 457. doi: 10.1038/nchem.2695

    43. [43]

      Xi, X.; Liu, J. W.; Luo, W. Z.; Fan, Y.; Zhang, J. J.; Luo, J. L.; Fu, X. Z. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2102845. doi: 10.1002/aenm.202102845

    44. [44]

      Li, J. W.; Fu, Z. M.; Wei, B.; Su, C. X.; Yue, X.; Lü, Z. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 18778. doi: 10.1039/d0ta04857g

    45. [45]

      Guan, F.; Zhang, X. M.; Song, Y. F.; Zhou, Y. J.; Bao, X. H. Chin. J. Catal. 2018, 39, 1484. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63118-3

    46. [46]

      Zhang, X. M.; Song, Y. F.; Guan, F.; Zhou, Y. J.; Lv, H. F.; Wang, G. X.; Bao, X. H. J. Catal. 2018, 359, 8. doi: 10.1016/j.jcat.2017.12.027

    47. [47]

      Li, Q.; Wu, J. B.; Wu, T.; Jin, H. R.; Zhang, N.; Li, J.; Liang, W. X.; Liu, M. L.; Huang, L.; Zhou, J. Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2102002. doi: 10.1002/adfm.202102002

    48. [48]

      Song, Y. F.; Zhou, Z. W.; Zhang, X. M.; Zhou, Y. J.; Gong, H. M.; Lv, H. F.; Liu, Q. X.; Wang, G. X.; Bao, X. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 4617. doi: 10.1002/anie.201814612

    49. [49]

      Wang, W. H.; Yang, Y.; Huan, D. M.; Wang, L. K.; Shi, N.; Xie, Y.; Xia, C. R.; Peng, R. R.; Lu, Y. L. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 12538. doi: 10.1039/c9ta03099a

    50. [50]

      Ciucci, F.; Chen, C. Electrochim. Acta 2015, 167, 439. doi: 10.1016/j.electacta.2015.03.123

    51. [51]

      Saccoccio, M.; Wan, T. H.; Chen, C.; Ciucci, F. Electrochim. Acta 2014, 147, 470. doi: 10.1016/j.electacta.2014.09.058

    52. [52]

      Li, Y. H.; Li, Y.; Wan, Y. H.; Xie, Y.; Zhu, J. F.; Pan, H. B.; Zheng, X. S.; Xia, C. R. Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803156. doi: 10.1002/aenm.201803156

    53. [53]

      Lv, H. F.; Lin, L.; Zhang, X. M.; Song, Y. F.; Matsumoto, H.; Zeng, C. B.; Ta, N.; Liu, W.; Gao, D. F.; Wang, G. X.; et al. Adv. Mater. 2020, 32, e1906193. doi: 10.1002/adma.201906193

    54. [54]

      Song, Y. F.; Zhang, X. M.; Zhou, Y. J.; Lv, H. F.; Liu, Q. X.; Feng, W. F.; Wang, G. X.; Bao, X. H. J. Energy Chem. 2019, 35, 181. doi: 10.1016/j.jechem.2019.03.013

    55. [55]

      Zhang, X. M.; Song, Y. F.; Guan, F.; Zhou, Y. J.; Lv, H. F.; Liu, Q. X.; Wang, G. X.; Bao, X. H. J. Power Sources 2018, 400, 104. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.08.017

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  7
  • 文章访问数:  1264
  • HTML全文浏览量:  205
文章相关
  • 发布日期:  2024-06-15
  • 收稿日期:  2023-06-05
  • 接受日期:  2023-07-31
  • 修回日期:  2023-07-31
  • 网络出版日期:  2023-08-10
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章