Unravelling the role of dopants in the electrocatalytic activity of ceria towards CO2 reduction in solid oxide electrolysis cells

文献情報

出版日 2023-01-05
DOI 10.1039/D2CP05157E
インパクトファクター 3.676
著者

Elena Marzia Sala, Nicola Mazzanti, Francesco M. Chiabrera, Simone Sanna, Mogens B. Mogensen, Peter V. Hendriksen, Zhongtao Ma, Søren B. Simonsen, Christodoulos Chatzichristodoulou


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要旨

CO2 reduction in Solid Oxide Electrolysis Cells (SOECs) is a key-technology for the transition to a sustainable energy infrastructure and chemical industry. Ceria (CeO2) holds great promise in developing highly efficient, cost-effective and durable fuel electrodes, due to its promising electrocatalytic properties, and proven ability to suppress carbon deposition and to tolerate high concentrations of impurities. In the present work, we investigate the intrinsic electrocatalytic activity of ceria towards CO2 reduction by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) on model systems with well-defined geometry, composition and surface area. Aiming at the optimization of the intrinsic catalytic properties of the material, we systematically study the effect of different dopants (Zr, Gd, Pr and Bi) on the reaction rate under varying operating conditions (temperature, gas composition and applied polarization) relevant for SOECs. The electrochemical measurements reveal the dominant role of the surface defect chemistry of the material in the reaction rate, with doping having only a mild effect on the rate and activation energy of the reaction. By analyzing the pO2 and overpotential dependence of the reaction rate with a general micro-kinetic model, we are able to identify the second electron transfer as the rate limiting step of the process, highlighting the dominant role of surface polarons in the energy landscape. These insights on the correlation between the surface defects and the electrocatalytic activity of ceria open new directions for the development of highly performing ceria-based technological electrodes.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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