K₂NiF₄형 PCFC 음극 성능 향상 전략

양성자 세라믹 연료전지(PCFC)의 산소 환원 반응(ORR) 속도 개선을 위해 전이 금속 d-밴드 중심 및 금속-산소 오비탈 정렬 조절이 유망한 접근법으로 제시됩니다. 본 연구에서는 K₂NiF₄형 La₀.₅Sr₁.₅MnO₄₊δ(LSMO) 및 La₀.₅Sr₁.₅FeO₄₊δ(LSFO) 음극을 비교 분석하여 전자 구조 조절이 산소 결함 화학, 산소/양성자 수송, 그리고 양성자 관련 ORR 활성에 미치는 영향을 규명했습니다. 밀도범함수 이론(DFT) 계산 결과, LSFO는 LSMO와 유사한 일함수를 가지지만, Fe 3d-O 2p 오비탈의 에너지 정렬이 더 유리한 것으로 나타났습니다. 이러한 전자 구조는 산소 공공 형성 에너지 장벽을 낮추고, 수화 관련 양성자 흡수를 촉진하며, 양성자 호핑 장벽 및 주요 ORR 중간체의 자유 에너지 장벽을 감소시키는 효과를 가져옵니다. 실험적으로 LSFO는 풍부한 산소 공공 관련 표면 산소종, 훨씬 높은 전자 전도도, 그리고 가속화된 산소/양성자 표면 교환 및 확산 특성을 보였습니다. PO₂/PH₂O 의존성 전기화학 임피던스 스펙트럼은 LSFO가 계면 전하/양성자 전달, 산소 환원, 표면 산소 수송 등 다양한 p-ORR 하위 과정을 촉진함을 확인시켜주었습니다. 최적화된 LSFO 음극은 700°C에서 2.2 W cm⁻²의 최고 출력 밀도와 0.04 Ω cm²의 낮은 분극 저항을 달성하여 LSMO 및 기존 R-P형 음극들을 능가했습니다. 또한, LSFO 전지는 400시간 이상 안정적인 작동을 보였습니다. 이 결과들은 d-밴드 중심과 d-p 오비탈 정렬의 통합적 조절이 고성능 K₂NiF₄형 PCFC 음극 설계에 효과적인 전략임을 입증합니다.