Застосування нанооксиду церію в твердооксидних паливних елементах
Анотація
Огляд присвячено аналізу сучасної літератури щодо застосування матеріалів на основі нанорозмірного оксиду церію в якості компонентів твердооксидного паливного елемента. Описано принцип роботи паливних елементів, їхню класифікацію та різницю в конструкціях паливної комірки. Унікальні окисно-відновні властивості нанорозмірного окиду церію роблять цей матеріал перспективним для використання як компонентів для твердооксидних паливних елементів (ТОПЕ). Церійвмісні матеріали в основному використовують як твердий електроліт - у них висока іонна провідність та коефіцієнт теплового розширення, низька енергія активації при відносно низьких температурах. Велика дефектність поверхні, яка визначається концентрацією кисневих вакансій, утворених на поверхні нанорозмірного СеО2, сприяє збільшенню електронної провідності навіть при температурах 300 – 700 °C. Збільшити концентрацію поверхневих дефектів можна легуванням поверхні нанооксиду церію дво- та тривалентними катіонами. Методи синтезу, іонні радіуси та концентрація легуючих речовин впливають на іонопровідні та електричні властивості отриманих нанокомпозитів. Пояснено зв'язок між зменшенням частинок оксиду церію до нанорозмірів із концентрацією поверхневих та об’ємних дефектів у структурі зразків. Особливу увагу приділено впливу легування нанорозмірного СеО2 катіонами перехідних металів та лантаноїдів на характеристики отриманого матеріалу, а саме зростання концентрації поверхневих дефектів за рахунок збільшення кисневих вакансій. Встановлено, що нанорозмірний оксид церію використовують для розробки та впровадження основних компонентів ТОПЕ: електроліту, анода та катода. Перелічено переваги застосування твердих електролітів на основі нанорозмірного оксиду церію над класичними електролітами. Активно розробляються та досліджуються композити на основі нано-СеО2 для використання як електродів твердооксидних паливних елементів. Показано, що подвійне та потрійне легування частинок оксиду церію підвищує іонну провідність та зменшує енергію активації, що позитивно впливає на його характеристики як електроліту ТОПЕ. Церійвмісні аноди є стійкими до осідання вуглецю та домішок палива, підвищують каталітичну активність твердооксидних паливних елементів, та є сумісними з іншими його компонентами. Нанорозмірні частинки оксиду церію напилюють на катод для запобігання взаємодії катода з електролітом. Проаналізовано перспективи використання церійвмісних матеріалів для перетворення хімічної енергії палива в електричну.
Посилання
1. Ajmal Khan M., Xu C., Song Z., Raza R., Ahmad M.A., Abbas G., Zhu B. Synthesize and characterization of ceria based nano-composite materials for low temperature solid oxide fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 2018. 43(12): 6310. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.01.166
2. Jaiswal N., Tanwar K., Suman R., Kumar D., Uppadhya S., Parkash O. A brief review on ceria based solid electrolytes for solid oxide fuel cells. Journal of Alloys and Compounds. 2019. 781: 984. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.12.015
3. Gorte R.J., Vohs J.M. Catalysis in Solid Oxide Fuel Cells. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2011. 2(1): 9. https://doi.org/10.1146/annurev-chembioeng-061010-114148
4. Ng K., Rahman H., Somalu M.R. Enhancement of composite anode materials for low‐temperature solid oxide fuels. Int J Hydrogen Energy. 2018. 44(58): 30692. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.11.137
5. Abd Aziz A.J., Baharuddin N.A., Somalu M.R., Muchtar A. Review of composite cathodes for intermediate-temperature solid oxide fuel cell applications. Ceramics International. 2020. 46(15):23314. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.06.176
6. Priya S.D., Selvakumar A.I., Nesaraj A.S. Overview on ceramic and nanostructured materials for solid oxide fuel cells (SOFCs) working at different temperatures. Journal of Electrochemical Science and Technology. 2020. 11(2): 99. https://doi.org/10.33961/jecst.2019.00612
7. Chen B.-H., Inbaraj B.S. Various physicochemical and surface properties controlling the bioactivity of cerium oxide nanoparticles. Crit. Rev. Biotechnol. 2018. 38(7): 1003. https://doi.org/10.1080/07388551.2018.1426555
8. Deshpande S., Patil S., Kuchibhatla S.V., Seal S. Size dependency variation in lattice parameter and valency states in nanocrystalline cerium oxide. Appl. Phys. Lett. 2005. 87(13): 133113. https://doi.org/10.1063/1.2061873
9. Keating P.R.L., Scanlon D.O., Watson G.W. The nature of oxygen states on the surfaces of CeO2 and La-doped CeO2. Chemical Physics Letters. 2014. 608: 239. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2014.05.094
10. Puente-Martinez D.E., Diaz-Guillen J.A., Montemayor S.M., Diaz-Guillen J.C., Burciaga-Diaz O., Bazaldua-Medellin M.E., Diaz-Guillen M.R., Fuentes A.F. High ionic conductivity in CeO2 SOFC solid electrolytes; effect of Dy doping on their electrical properties. International Journal of Hydrogen Energy. 2020. 45(27): 14062. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.11.032
11. Li Z.-P., Mori T., Zou J., Drennan J. Defects clustering and ordering in di- and trivalently doped ceria. Materials Research Bulletin. 2013. 48(2): 807. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2012.11.073
12. Sreedhar I., Agarwal B., Goyal P., Singh S.A. Recent advances in material and performance aspects of solid oxide fuel cells. Journal of Electroanalytical Chemistry. 2019. 848(113315). https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.113315
13. Hussain S., Yangping L. Review of solid oxide fuel cell materials: cathode, anode, and electrolyte. Energy Transit. 2020. https://doi.org/10.1007/s41825-020-00029-8
14. Madhuri C., Venkataramana K., Shanker J., Reddy C.V. Effect of La3+, Pr3+, and Sm3+ triple-doping on structural, electrical, and thermal properties of ceria solid electrolytes for intermediate temperature solid oxide fuel cells. Journal of Alloys and Compounds. 2020. 849(156636). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156636
15. Faro M.L., Rosa D.L., Antonucci V., Aric A.S. Intermediate temperature solid oxide fuel cell electrolytes. Journal of Indian Institute of Science. 2009. 89: 363.
16. Coduri M., Checchia S., Longhi M., Ceresoli D., Scavini M. Rare Earth Doped Ceria: The complex connection between structure and properties. Frontiers in Chemistry. 2018. 6(526). https://doi.org/10.3389/fchem.2018.00526
17. Grinko А.M., Brichka А.V., Bakalinska О.М., Каrtel М.Т. Properties, preparation methods and use of cerium nanooxide. Surface. 2019. 11(26): 436. [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.436
18. Arunkumar P., Meena M., Babu K.S. A review on cerium oxide-based electrolytes for ITSOFC. Nanomaterials and Energy. 2012. 1(5): 288. https://doi.org/10.1680/nme.12.00015
19. Zhu B. Solid oxide fuel cell (SOFC) technical challenges and solutions from nano-aspects. International Journal of Energy Research. 2009. 33(13): 1126-1137. https://doi.org/10.1002/er.1600
20. Tschope A., Birringer R. Grain size dependence of electrical conductivity in polycrystalline cerium oxide. J. Electroceram. 2001. 7: 169.
21. Dwivedi S. Solid oxide fuel cell: Materials for anode, cathode and electrolyte. International Journal of Hydrogen Energy. 2020. 45(44): 23988. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.11.234
22. Sharma P., Singh K.L., Sharma C., Singh A.P. Recent advances in ceria based electrolytes for Solid Oxide Fuel Cells. International Journal of Innovative Research and Advanced Studies. 2016. 3(5): 51.
23. Melchionna M., Fornasiero P. The role of ceria-based nanostructured materials in energy applications. Materials Today. 2014. 17(7): 349. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.05.005
24. Lucid A.K., Keating P.R.L., Allen J.P., Watson G.W. Structure and reducibility of CeO2 doped with trivalent cations. The Journal of Physical Chemistry C. 2016. 120(41): 23430. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b08118
25. Chitra Priya N.S., Sandhya K., Rajendran D.N. Study on electrical conductivity and activation energy of doped Ceria nanostructures. Electrochemical Energy Technology. 2017. 3(1): 49. https://doi.org/10.1515/eetech-2017-0004
26. Liu Y-Y., Li S-T, Peng J., An S-L. Influence of Gd2O3 doping contents on conductivity of Ce1-xGdxO2- delta electrolyte. Cailiao gongcheng-journal of materials engineering. 2020. 48(6): 118.
27. Koettgen J., Martin M. The ionic conductivity of Sm doped ceria. J Am Ceram Soc. 2020. 103(6): 3776. https://doi.org/10.1111/jace.17066
28. Coduri M., Scavini M., Brunelli M., Pedrazzin E., Masala P. Structural characterization of Tb- and Pr-doped ceria. Solid State Ionics. 2014. 268: 150 https://doi.org/10.1016/j.ssi.2014.10.020
29. Kumar A., Kumari M., Kumar M., Kumar S., Kumar D. Synthesis and characterization of magnesium doped cerium oxide for the fuel cell application. AIP Conf. Proc. 2016. 1728(1): 020444. https://doi.org/10.1063/1.4946495
30. Ahmad S.I. Nanostructured cerium oxide (Ceria): Electrolyte for IT-SOFC. Int J Nano Rech. 2018. 1(1): 11.
31. Purton J.A., Allan N.L., Gunn D.S. Simulations of doped CeO2 at finite dopant concentrations. Solid State Ionics. 2017. 299: 32. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2016.09.017
32. Anjaneya K.C., Nayaka G.P., Manjanna J., Ashwin Kumar V.M., Govindaraj G., Ganesha K.N. Investigation on the Sr-doped ceria Ce1−xSrxO2−δ (x = 0.05-0.2) as an electrolyte for intermediate temperature SOFC. Journal of Alloys and Compounds. 2014. 598: 33. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.01.242
33. Rafique A., Raza R., Arifin N.A., Ullah M.K., Ali A., Steinberger-Wilckens R. Electrochemical and thermal characterization of doped ceria electrolyte with lanthanum and zirconium. Ceramics International. 2018. 44(6): 6493. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.01.048
34. Wang H., Hu T., Xi G. A novel Gd3+ and Yb3+ co-doped ceria-sulphate composite electrolyte for intermediate-temperature fuel cells. Ceramics International. 2020. 46(7): 8695. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.12.104
35. Koettgen J., Duck G., Martin M. The oxygen ion conductivity of Lu doped ceria. Journal of Physics: Condensed Matter. 2020. 32(26): 265402. https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab7d64
36. Amarsingh Bhabu K., Theerthagiri J., Madhavan J., Balu T., Rajasekaran T.R. Superior oxide ion conductivity of novel acceptor doped cerium oxide electrolytes for intermediate-temperature solid oxide fuel cell applications. The Journal of Physical Chemistry C. 2016. 120(33): 18452. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b05873
37. Fu Z., Sun Q., Ma D., Zhang N., An Y., Yang Z. Effects of Sm doping content on the ionic conduction of CeO2 in SOFCs from first principles. Applied Physics Letters. 2017. 111(2): 023903. https://doi.org/10.1063/1.4993897
38. Tian N., Qu Y., Men H., Yu J., Wang X., Zheng J. Properties of Ce0.85Sm0.15O2-δ-CuO electrolytes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells. Solid State Ionics. 2020. 351(115331). https://doi.org/10.1016/j.ssi.2020.115331
39. Venkataramana K., Madhuri C., Reddy C.V. Triple-doped Ceria-Carbonate (Ce0.82La0.06Sm0.06Gd0.06O2-δ - (Li-Na)2CO3) nanocomposite solid electrolyte materials for LT-SOFC applications. Ceramics International. 2020. 46(17): 27584. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.07.252
40. Altaf F., Batool R., Gill R., Abbas G., Raza R., Rehman Z., Ahmad M.A. Synthesis and characterisation of Co-doped ceria-based electrolyte material for low temperature solid oxide fuel cell. Ceramics International. 2019. 45(8): 10330. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.02.088
41. Accardo G., Spiridigliozzi L., Dell'Agli G., Pil Yoon S., Frattini D. Morphology and structural stability of bismuth-gadolinium co-doped ceria electrolyte nanopowders. Inorganics. 2019. 7(118). https://doi.org/10.3390/inorganics7100118
42. Shen S.L., Yang Y.P., Guo L.J., Liu H.T. A polarization model for a solid oxide fuel cell with a mixed ionic and electronic conductor as electrolyte. J. Power Sources. 2014. 256: 43-51. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.01.041
43. Li L., Zhu B., Zhang J., Yan C., Wu Y. Electrical properties of nanocube CeO2 in advanced solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy. 2018. 43(28): 12909. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.05.120
44. Wang B., Zhu B., Yun S., Zhang W., Xia C., Afzal M., Cai Y., Liu Y., Wang Y., Wang H. Fast ionic conduction in semiconductor CeO2-δ electrolyte fuel cells. NPG Asia Mater. 2019. 11(51). https://doi.org/10.1038/s41427-019-0152-8
45. Sarruf B.J.M., Hong J.-E., Steinberger-Wilckens R., de Miranda P.E.V. Ceria-Co-Cu-based SOFC anode for direct utilisation of methane or ethanol as fuels. International Journal of Hydrogen Energy. 2020. 45(8): 5297. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.04.075
46. Shin T.H., Ida S., Ishihara T. Doped CeO2-LaFeO3 composite oxide as an active anode for direct hydrocarbon-type solid oxide fuel cells. J. Am. Chem. Soc. 2011. 133(48): 19399. https://doi.org/10.1021/ja206278f
47. Shahid M., He C., Sankarasubramanian S., Ramani V., Basu S. Enhanced methane electrooxidation by ceria and nickel oxide impregnated perovskite anodes in solid oxide fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy. 2020. 45(19): 11287. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.02.040
48. Diaz‐Aburto I., Gracia F., Colet‐Lagrille M. Mo‐doped CeO2 synthesized by the combustion method for carbon‐air solid oxide fuel cell (CA‐SOFC). Applications Fuel Cells. 2019. 19(2): 147. https://doi.org/10.1002/fuce.201800160
49. Yuan X., Chen H., Tian W., Shi J., Zhou W., Cheng F., Li SD, Shao Z. Utilization of low-concentration coal-bed gas to generate power using a core-shell catalyst-modified solid oxide fuel cell. Renewable Energy. 2020. 147: 602. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.09.023
50. Riegraf M., Hoerlein M.P., Costa R., Schiller G., Friedrich K.A. Sulfur poisoning of electrochemical reformate conversion on nickel/gadolinium-doped ceria electrodes. ACS Catal. 2017. 7(11): 7760. https://doi.org/10.1021/acscatal.7b02177
51. Wang S., Zheng M., Li M., Wu X., Xia C. Synergistic effects towards H2 oxidation on the Cu-CeO2 electrode: A combination study with DFT calculations and experiments. J. Mater. Chem. A. 2016. 4: 5745. https://doi.org/10.1039/C6TA00732E
52. Zhu H., Hou Y., Ren H., Liu D., Li X., Zhao L., Chi YH., Guo W.). Theoretical investigation on H2 oxidation mechanisms over pristine and Sm-doped CeO2(111) surfaces. Applied Surface Science. 2020. 511(145388). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.145388
53. Li P., Dong .R., Jiang X., Zhang S., Liu T., Wang R., Yan F., Fu D. The effect of CeO2 morphology on the electrochemical performance of the reversible solid oxide cells. Journal of electroanalytical chemistry. 2020. 873(114513). https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2020.114513
54. Somacescu S., Cioatera N., Osiceanu P., Calderon-Moreno J.M., Ghica C., Neaţu F., Florea M. Bimodal mesoporous NiO/CeO2-δ-YSZ with enhanced carbon tolerance in catalytic partial oxidation of methane - potential IT-SOFCs anode. Applied Catalysis B: Environmental. 2019. 241: 393. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.09.065
55. Fuerte A., Valenzuela R.X., Escudero M.J. Role of dopants on ceria-based anodes for IT-SOFCs powered by hydrocarbon fuels. Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering. 2017. 5(3): 45. https://doi.org/10.13189/ujeee.2017.050301
56. Li S., Lu X., Shi S., Chen L., Wang Z., Zhao Y. Europium-doped ceria nanowires as anode for solid oxide fuel cells. Frontiers in Chemistry. 2020. 8(348). https://doi.org/10.3389/fchem.2020.00348
57. Montini T., Melchionna M., Monai M., Fornasiero P. Fundamentals and catalytic applications of CeO2-based materials. Chemical Reviews. 2016. 116(10): 5987. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00603
58. Vangelista S.,Piagge R., Ek S., Sarnet T., Ghidini G., Martella C., Lamperti A. Structural, chemical and optical properties of cerium dioxide film prepared by atomic layer deposition on TiN and Si substrates. Thin Solid Films. 2017. 636: 78. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2017.05.034
59. Shin J.W., Oh S., Lee S., Yu J.-G., Park J., Go D., Yang B.C., Kim H.J., An J. Ultra-thin atomic layer deposited CeO2 overlayer for high-performance fuel cell electrodes. ACS Applied Materials & Interfaces. 2019. 11(50): 46651. https://doi.org/10.1021/acsami.9b10572
60. Matsui T., Li S., Inoue Y., Yoshida N., Muroyama H., Eguchi K. Degradation analysis of solid oxide fuel cells with (La,Sr)(Co,Fe)O3-δ cathode/Gd2O3-CeO2 interlayer/Y2O3-ZrO2 electrolyte system: the influences of microstructural change and solid solution formation. ECS Transactions. 2019. 91(1): 1247. https://doi.org/10.1149/09101.1247ecst
61. Ozmen O., Zondlo J.W., Lee S., Hackett G.A., Abernathy H., Sabolsky E.M. Bio-surfactant assisted infiltration of SOFC electrodes. ECS Meeting Abstracts. 2017. 3(61).
62. Zhang L., Hu S., Li W., Cao Z., Liu H., Zhu X., Yang W. Nano-CeO2-Modified cathodes for direct electrochemical CO2 reduction in Solid Oxide Electrolysis Cells. ACS Sustainable Chem. Eng. 2019. 7(10): 9629. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b01183
