Bifunctional electrodes are critical for ensuring high performance and reliable operation in symmetrical solid oxide fuel cells (SSOFCs). This study introduces a novel Zr/Ti co-doping strategy in perovskite-structured SrFeO3-δ, which significantly enhances performance stability, establishing it as a strong candidate for symmetrical electrode applications. A series of SrFe1-xTix/2Zrx/2O3-δ (x = 0–0.2) compositions are synthesised via the conventional solid-state reaction method. The co-doped samples retain a cubic phase, albeit with considerable oxygen deficiency in air. The optimized composition, SrFe0.85Ti0.075Zr0.075O3-δ (SFTZ-0.15), demonstrates electrical conductivities of 68.5 S.cm-1 in air and 3.6 S.cm-1 in 3 % H2O/H2 at 800 °C. Under extreme reducing conditions, the brownmillerite phase and Fe particle exsolution occur. The area-specific resistance (ASR) offered by the SFTZ-0.15 electrode at 800 °C is 0.046 Ω.cm2 in air and 0.064 Ω.cm2 in moist H₂. While stable in air, the ASR rises to 0.132 Ω.cm2 after 100 h exposure in reducing conditions. Electrolyte-supported symmetrical single-cells with SFTZ-0.15 electrodes deliver a maximum power density of 732 mW.cm-2 at 800 °C, retaining 91.5 % of their performance after 100 h of continuous operation at 1.2 A.cm-2. These findings highlight the synergistic benefits of Zr4+/Ti4+ co-doping in SrFeO3-δ, showcasing its potential as a bifunctional electrode for SSOFCs.

中文翻译：

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高性能 Zr4+/Ti4+ 共掺杂 SrFeO3 作为对称固体氧化物燃料电池的电极


双功能电极对于确保对称固体氧化物燃料电池 （SSOFC） 的高性能和可靠运行至关重要。本研究在钙钛矿结构的 SrFeO3-δ 中引入了一种新的 Zr/Ti 共掺杂策略，该策略显着增强了性能稳定性，使其成为对称电极应用的有力候选者。通过常规固相反应方法合成了一系列 SrFe1-xTix/2Zrx/2O3-δ （x = 0–0.2） 组合物。共掺杂样品保留立方相，尽管空气中缺氧程度很高。优化后的成分 SrFe0.85Ti0.075Zr0.075O3-δ （SFTZ-0.15） 在 800 °C 时在空气中的电导率为 68.5 S.cm-1，在 3 % H2O/H2 中的电导率为 3.6 S.cm-1。 在极端还原条件下，会发生褐米勒石相和 Fe 颗粒溶解。SFTZ-0.15 电极在 800 °C 下提供的比面积电阻 （ASR） 在空气中为 0.046 Ω.cm2，在潮湿的 H₂ 中为 0.064 Ω.cm2。虽然在空气中稳定，但在还原条件下暴露 100 小时后，ASR 上升到 0.132 Ω.cm2。带有 SFTZ-0.15 电极的电解质支撑对称单电池在 800 °C 下提供 732 mW.cm-2 的最大功率密度，在 1.2 A.cm-2 下连续运行 100 小时后仍保持 91.5% 的性能。这些发现突出了 SrFeO3-δ 中 Zr4+/Ti4+ 共掺杂的协同优势，展示了其作为 SSOFC 双功能电极的潜力。