Pengaruh unsur dopan ni dan Fe terhadap prestasi elektrokimia anod perovskit Ruddlesden-Popper LSMXO4 (X = Ni, dan Fe) untuk aplikasi sel fuel oksida pepejal

Abstract

Perovskit berstruktur Ruddlesden-Popper, La0.6Sr1.4MnO4 (LSMO4) telah diperkenalkan sebagai calon anod yang bersesuaian untuk aplikasi sel fuel oksida pepejal bersuhu sederhana (IT-SOFC). Anod ini mempunyai kestabilan kimia dan redoks yang tinggi, kekonduksian elektronik dan prestasi elektrokimia yang mencukupi, dan memiliki ketahanan terhadap pemendakan karbon dan keracunan sulfur. Namun, prestasi kekonduksian elektronik dan elektrokimianya lebih rendah berbanding anod konvensional berasaskan nikel seperti Ni-YSZ. Oleh itu, kajian ini menggunakan Ni dan Fe sebagai bahan dopan bagi meningkatkan prestasi kekonduksian elektronik dan elektrokimia anod La0.6Sr1.4Mn0.9X0.1O4 (X = Ni dan Fe). Anod disintesis melalui kaedah sitrat-nitrat dan diikuti dengan analisis termogravimetri (TGA), spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) dan pembelauan sinar-X (XRD) untuk menentukan suhu pengkalsinan. Analisis XRD juga dapat menentukan saiz kristal bahan dengan menggunakan persamaan Scherrer. Pengaruh pengedopan terhadap sifat morfologi dan fizikal bahan telah dinilai dengan menggunakan analisis mikroskop elektron pengimbas pancaran medan (FESEM), dan analisis spektroskopi sebaran tenaga sinar-X beserta pemetaan (EDX-MAPPING). Sel simetri LSMXO4/LSGM/LSMXO4 dihasilkan melalui teknik pencetakan skrin dengan dakwat anod LSMXO4 yang dicetak pada kedua-dua permukaan elektrolit LSGM. Pernilaian terhadap sifat morfologi filem LSMXO4 anod dijalankan menggunakan analisis FESEM. Teknik empat prob van der Pauw dan analisis spektroskop impedans elektrokimia (EIS) kemudiannya digunakan untuk merekodkan nilai kekonduksian elektronik dan nilai rintangan tentu luas (ASR), masing-masing. Direkodkan bahawa setiap unsur dopan memberikan saiz kristal yang berbeza, iaitu 25.65 nm, 23.06 nm, dan 20.20 nm bagi LSMO4, LSMNi dan LSMFe, masing-masing. Tiada sebarang perlekangan antara muka filem anod dan pelet elektrolit yang dikesan selepas proses pensinteran pada suhu 1000 ℃ selama 2 jam. Selain itu, nilai keliangan yang direkodkan oleh anod terdop LSMO4, LSMNi dan LSMFe adalah 34.80 ± 0.34 %, 26.30 ± 0.30 %, dan 12.92 ± 0.20 % yang mana hanya LSMO4 dan LSMNi mempunyai nilai keliangan dalam julat kebolehterimaan, iaitu 20 % - 40 %. Hal ini akan memberikan pengaruh yang besar terhadap nilai kekonduksian elektronik yang diukur untuk bahan anod LSMO4, LSMNi dan LSMFe, iaitu masing-masing 1.50 Scm-1, 2.46 Scm-1 dan 3.39 Scm-1 (< 100 Scm-1) pada suhu operasi 800 ℃ di dalam fuel hidrogen lembap (3 % H2O – H2). Selain itu, nilai ASR bagi LSMO4, LSMNi dan LSMFe yang direkodkan pula adalah melebihi nilai ASR yang disyorkan (1 Ωcm2), iaitu 1.52 Ωcm2, 2.40 Ωcm2 dan 7.97 Ωcm2 masing-masing, pada suhu pengoperasian yang sama. Walaupun nilai kekonduksian dan ASR ini tidak menepati julat yang disyorkan, namun prestasi keseluruhan anod-anod ini adalah lebih baik daripada kebanyakan perovskit berstruktur Ruddlesden-Popper yang dilaporkan untuk aplikasi anod. Kajian ini telah membuktikan bahawa setiap unsur dopan memberikan pengaruh yang berbeza terhadap prestasi kekonduksian elektronik dan elektrokimia perovskit yang dihasilkan.