journal article·2025-05Open access

High‐Performing Perovskite/Ruddlesden‐Popper Fuel Electrode for High‐Temperature Steam Electrolysis

Yousef Alizad Farzin, Mohamad Khoshkalam, Siyuan Guo, Wolfgang Menesklou, Philipp Röse, André Weber

Advanced Energy Materials· Volume 15· Issue 18

Abstract

Abstract Ruddlesden‐Popper (RP) oxides have emerged as a promising alternative to Ni cermet electrodes for high‐temperature steam electrolysis due to their superior oxide ion mobility and conductivity. Combining RP with perovskite (P) can provide superior electrocatalytic activity toward hydroxide oxidation and reduction reaction, driving higher efficiency in solid oxide cells (SOC). This work provides a novel approach to enhancing SOC performance by employing A‐site Ce‐substituted Sr0.6Pr0.4‐xCexMnO3 (x = 0.1‐0.3) electrodes, investigating their phase evolution, crystal properties, and cation oxidation states under oxidizing and reducing atmospheres. X‐ray diffraction analysis of heat‐treated powder in a reducing atmosphere revealed forming mixed P and RP structures at 600–800 °C for x = 0.1 and 0.2, which provides excellent conductivity and electrocatalytic activity. Consequently, outstanding cell performance is achieved, with low polarization resistances of 0.053 ± 0.004 Ω cm2 at 800 °C. The voltage response at different current densities in an electrolyte‐supported cell revealed a high power density of 1.084 W cm−2 in fuel cell operation and a current density of 1.00 A cm−2 at the thermoneutral voltage at 850 °C in steam electrolysis. Moreover, a low overpotential degradation rate of 45 mV kh−1 demonstrated the remarkable potential of the SPCM electrode as a promising Ni‐free candidate for SOC application.
Source: crossref · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Advancements in Solid Oxide Fuel Cells · Electrocatalysts for Energy Conversion · Electronic and Structural Properties of Oxides

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Institute for Applied Materials – Electrochemical Technologies (IAM‐ET) Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Adenauerring 20b 76131 Karlsruhe Germany

Department of Energy Conversion and Storage Technical University of Denmark (DTU) Anker Engelunds Vej Lyngby DK‐2800 Kgs Denmark

Funding

Bundesministerium für Bildung und Forschung

References (90)

Show source-provided references
1. 10.1002/cite.20190011910.1002/cite.201900119 ↗
2. 10.1016/j.ijhydene.2021.12.10410.1016/j.ijhydene.2021.12.104 ↗
3. 10.1016/j.ijhydene.2007.04.04210.1016/j.ijhydene.2007.04.042 ↗
4. 10.1016/j.ssi.2010.06.01410.1016/j.ssi.2010.06.014 ↗
5. 10.1016/j.ceramint.2015.09.00610.1016/j.ceramint.2015.09.006 ↗
6. 10.1149/2.098308jes10.1149/2.098308jes ↗
7. 10.1016/j.ceramint.2022.06.15210.1016/j.ceramint.2022.06.152 ↗
8. 10.1016/j.progsolidstchem.2014.08.00110.1016/j.progsolidstchem.2014.08.001 ↗
9. 10.1016/j.jechem.2018.11.00210.1016/j.jechem.2018.11.002 ↗
10. 10.1038/nenergy.2015.1410.1038/nenergy.2015.14 ↗
11. 10.1021/acs.energyfuels.2c0346310.1021/acs.energyfuels.2c03463 ↗
12. 10.1002/anie.20200653610.1002/anie.202006536 ↗
13. 10.1021/acsaem.2c0068010.1021/acsaem.2c00680 ↗
14. 10.1038/ncomms912010.1038/ncomms9120 ↗
15. 10.1016/j.ceramint.2022.07.04510.1016/j.ceramint.2022.07.045 ↗
16. 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.04.01710.1016/j.jeurceramsoc.2020.04.017 ↗
17. 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.10.02810.1016/j.jeurceramsoc.2021.10.028 ↗
18. 10.1016/j.ceramint.2020.05.05710.1016/j.ceramint.2020.05.057 ↗
19. 10.1021/acsnano.6b0397910.1021/acsnano.6b03979 ↗
20. 10.1016/j.ijhydene.2019.10.01110.1016/j.ijhydene.2019.10.011 ↗
21. 10.1016/j.ceramint.2017.05.13010.1016/j.ceramint.2017.05.130 ↗
22. 10.1016/j.ijhydene.2021.01.04510.1016/j.ijhydene.2021.01.045 ↗
23. 10.1016/j.ssi.2024.11656910.1016/j.ssi.2024.116569 ↗
24. 10.1111/jace.1848210.1111/jace.18482 ↗
25. 10.1038/nmat416610.1038/nmat4166 ↗
26. 10.1016/j.electacta.2019.03.03710.1016/j.electacta.2019.03.037 ↗
27. 10.1016/j.electacta.2013.03.04110.1016/j.electacta.2013.03.041 ↗
28. 10.1149/1.296579210.1149/1.2965792 ↗
29. 10.1016/j.electacta.2020.13649410.1016/j.electacta.2020.136494 ↗
30. 10.1039/C6TA09692A10.1039/C6TA09692A ↗
31. 10.1021/acscatal.8b0366910.1021/acscatal.8b03669 ↗
32. 10.1016/j.jpowsour.2023.23345010.1016/j.jpowsour.2023.233450 ↗
33. 10.1016/j.matchemphys.2016.04.08210.1016/j.matchemphys.2016.04.082 ↗
34. 10.1016/j.ceramint.2020.03.26410.1016/j.ceramint.2020.03.264 ↗
35. 10.1016/j.jmmm.2016.09.09710.1016/j.jmmm.2016.09.097 ↗
36. 10.1016/j.ssi.2004.11.01810.1016/j.ssi.2004.11.018 ↗
37. 10.1002/crat.20100025810.1002/crat.201000258 ↗
38. 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.06.01210.1016/j.jeurceramsoc.2008.06.012 ↗
39. 10.1021/cm061767e10.1021/cm061767e ↗
40. Gupta M. · Res. Artic. Adv. Mat. Lett. · 2002 · 2012 · 220
41. 10.1016/j.jmrt.2018.05.02710.1016/j.jmrt.2018.05.027 ↗
42. 10.1142/S021797921550090310.1142/S0217979215500903 ↗
43. 10.1088/2515-7639/abe39210.1088/2515-7639/abe392 ↗
44. 10.1016/j.ssi.2011.02.00410.1016/j.ssi.2011.02.004 ↗
45. 10.1107/S056773947600155110.1107/S0567739476001551 ↗
46. 10.1038/s41467-021-26739-110.1038/s41467-021-26739-1 ↗
47. 10.1016/j.jpowsour.2024.23562510.1016/j.jpowsour.2024.235625 ↗
48. 10.1016/j.jallcom.2020.15858410.1016/j.jallcom.2020.158584 ↗
49. 10.1149/1945-7111/acada810.1149/1945-7111/acada8 ↗
50. 10.1016/j.apsusc.2021.14953610.1016/j.apsusc.2021.149536 ↗
51. 10.1021/cm051352d10.1021/cm051352d ↗
52. 10.1016/S0039-6028(98)00257-X10.1016/S0039-6028(98)00257-X ↗
53. 10.1016/j.ijhydene.2020.06.22810.1016/j.ijhydene.2020.06.228 ↗
54. 10.1016/j.mcat.2019.11066510.1016/j.mcat.2019.110665 ↗
55. 10.1088/2515-7639/abe39210.1088/2515-7639/abe392 ↗
56. 10.1016/j.ijhydene.2022.11.30710.1016/j.ijhydene.2022.11.307 ↗
57. 10.1016/j.electacta.2011.05.04210.1016/j.electacta.2011.05.042 ↗
58. 10.1038/s41467-023-42462-510.1038/s41467-023-42462-5 ↗
59. 10.1039/D0MH00477D10.1039/D0MH00477D ↗
60. 10.1016/0010-4655(92)90132-I10.1016/0010-4655(92)90132-I ↗
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74. 10.1016/j.ssi.2020.11543510.1016/j.ssi.2020.115435 ↗
75. 10.1002/adem.20230223110.1002/adem.202302231 ↗
76. 10.1007/978-3-031-22508-6_210.1007/978-3-031-22508-6_2 ↗
77. 10.1016/j.electacta.2018.01.06210.1016/j.electacta.2018.01.062 ↗
78. 10.1002/adma.20100104410.1002/adma.201001044 ↗
79. 10.1016/j.jpowsour.2017.05.07910.1016/j.jpowsour.2017.05.079 ↗
80. 10.1002/smll.20230442510.1002/smll.202304425 ↗
81. 10.1016/B978-0-323-85883-0.00021-110.1016/B978-0-323-85883-0.00021-1 ↗
82. 10.1016/j.jechem.2023.07.03010.1016/j.jechem.2023.07.030 ↗
83. 10.1021/acsaem.2c0068010.1021/acsaem.2c00680 ↗
84. 10.3390/en1508272610.3390/en15082726 ↗
85. 10.1299/jtst.2021jtst001310.1299/jtst.2021jtst0013 ↗
86. 10.1016/j.jmmm.2014.07.00710.1016/j.jmmm.2014.07.007 ↗
87. 10.1007/s11664-019-07236-010.1007/s11664-019-07236-0 ↗
88. 10.1016/j.jeurceramsoc.2020.06.00610.1016/j.jeurceramsoc.2020.06.006 ↗
89. 10.1016/j.ssi.2007.11.03710.1016/j.ssi.2007.11.037 ↗
90. 10.1016/j.electacta.2016.12.14810.1016/j.electacta.2016.12.148 ↗