Design principles for metal oxide redox materials for solar-driven isothermal fuel production

Advanced Energy Materials

Volumn 5, Issue 7, 2015, Pages

  Michalsky, Ronald ^a   Botu, Venkatesh ^b   Hargus, Cory M ^c   Peterson, Andrew A ^c   Steinfeld, Aldo ^a,d  

^a ETH ZURICH   (Switzerland)

^b UNIVERSITY OF CONNECTICUT   (United States)

^c Brown University   (United States)

^d PAUL SCHERRER INSTITUTE   (Switzerland)

Author keywords

CO2 reduction; concentrated solar energy; density functional theory; solid oxide fuel cells; vacancy diffusion

Indexed keywords

CARBON DIOXIDE; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; DIFFUSION; ELECTRONIC STRUCTURE; FREE ENERGY; GIBBS FREE ENERGY; ISOTHERMS; METALLIC COMPOUNDS; METALS; MOLYBDENUM OXIDE; OXYGEN; REDOX REACTIONS; SOLAR ENERGY; SOLID OXIDE FUEL CELLS (SOFC); TITANIUM OXIDES; YTTRIA STABILIZED ZIRCONIA; ZIRCONIA;

CONCENTRATED SOLAR ENERGY; GIBBS FREE ENERGY OF FORMATION; ISOTHERMAL REDOX CYCLES; METAL OXIDE CATALYSTS; OXYGEN CONDUCTIVITIES; SELF-DIFFUSION CONSTANT; THERMO-CHEMICAL STABILITY; VACANCY DIFFUSION;

OXYGEN VACANCIES;

EID: 84926966899     PISSN: 16146832     EISSN: 16146840     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/aenm.201401082     Document Type: Article

References (89)

1. M. Romero, A. Steinfeld, Energy Environ. Sci. 2012, 5, 9234.
2. W. C. Chueh, C. Falter, M. Abbott, D. Scipio, P. Furler, S. M. Haile, A. Steinfeld, Science 2010, 330, 1797.
3. A. Steinfeld, P. Kuhn, A. Reller, R. Palumbo, J. Murray, Y. Tamaura, Int. J. Hydrogen Energy 1998, 23, 767.
4. P. Furler, J. Scheffe, M. Gorbar, L. Moes, U. Vogt, A. Steinfeld, Energy Fuels 2012, 26, 7051.
5. J. R. Scheffe, D. Weibel, A. Steinfed, Energy Fuels 2013, 27, 4250.
6. J. E. Miller, A. H. McDaniel, M. D. Allendorf, Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1300469.
7. S. Rawalekar, T. Mokari, Adv. Energy Mater. 2013, 3, 12.
8. J. Suntivich, H. A. Gasteiger, N. Yabuuchi, H. Nakanishi, J. B. Goodenough, Y. Shao-Horn, Nat. Chem. 2011, 3, 546.
9. T. Bligaard, J. K. Nørskov, S. Dahl, J. Matthiesen, C. H. Christensen, J. Sehested, J. Catal. 2004, 224, 206.
10. A. Valdés, J. Brillet, M. Grätzel, H. Gudmundsdõttir, H. A. Hansen, H. Jõnsson, P. Klüpfel, G. J. Kroes, F. Le Formal, I. C. Man, R. S. Martins, J. K. Nørskov, J. Rossmeisl, K. Sivula, A. Vojvodic, M. Zäch, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 49.
11. C. W. Li, M. W. Kanan, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7231.
12. R. Cao, J. S. Lee, M. L. Liu, J. Cho, Adv. Energy Mater. 2012, 2, 816.
13. W. C. Chueh, S. M. Haile, Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2012, 3, 313.
14. P. M. Geffroy, J. Fouletier, N. Richet, T. Chartier, Chem. Eng. Sci. 2013, 87, 408.
15. Y. Hao, C. K. Yang, S. M. Haile, Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 17084.
16. C. L. Muhich, B. W. Evanko, K. C. Weston, P. Lichty, X. H. Liang, J. Martinek, C. B. Musgrave, A. W. Weimer, Science 2013, 341, 540.
17. R. Michalsky, P. H. Pfromm, AlChE J. 2012, 58, 3203.
18. A. Demont, S. Abanades, E. Beche, J. Phys. Chem. C 2014, 118, 12682.
19. A. H. McDaniel, E. C. Miller, D. Arifin, A. Ambrosini, E. N. Coker, R. O'Hayre, W. C. Chueh, J. H. Tong, Energy Environ. Sci. 2013, 6, 2424.
20. Z. H. Zeng, F. Calle-Vallejo, M. B. Mogensen, J. Rossmeisl, Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 7526.
21. D. Alfè, Comput. Phys. Commun. 2009, 180, 2622.
22. I. Barin, Thermochemical Data of Pure Substances, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, Germany 1993.
23. NIST-JANAF Thermochemical Tables, available at: http://kinetics.nist.gov/janaf/ (accessed December 2014).
24. S. Ackermann, J. R. Scheffe, A. Steinfeld, J. Phys. Chem. C 2014, 118, 5216.
25. G. Henkelman, H. Jõnsson, J. Chem. Phys. 2000, 113, 9978.
26. U. Brossmann, R. Würschum, U. Södervall, H. E. Schaefer, J. Appl. Phys. 1999, 85, 7646.
27. R. Haul, G. Dümbgen, Z. Elektrochem. 1962, 66, 636.
28. M. K. Nowotny, L. R. Sheppard, T. Bak, J. Nowotny, J. Phys. Chem. C 2008, 112, 5275.
29. S. Carter, A. Selcuk, R. J. Chater, J. Kajda, J. A. Kilner, B. C. H. Steele, Solid State Ionics 1992, 53, 597.
30. A. Belzner, T. M. Gür, R. A. Huggins, Solid State Ionics 1992, 57, 327.
31. M. B. Choi, S. Y. Jeon, H. N. Im, E. D. Wachsman, S. J. Song, J. Electrochem. Soc. 2012, 159, P23.
32. M. Katsuki, S. R. Wang, M. Dokiya, T. Hashimoto, Solid State Ionics 2003, 156, 453.
33. W. J. Moore, Y. Ebisuzaki, J. A. Sluss, J. Phys. Chem. 1958, 62, 1438.
34. W. J. Moore, E. L. Williams, Discuss. Faraday Soc. 1959, 86.
35. P. Erhart, K. Albe, Phys. Rev. B 2006, 73, 115207.
36. U. Brossmann, G. Knöner, H. E. Schaefer, R. Würschum, Rev. Adv. Mater. Sci. 2004, 6, 7.
37. P. S. Manning, J. D. Sirman, J. A. Kilner, Solid State Ionics 1997, 93, 125.
38. M. S. Khan, M. S. Islam, D. R. Bates, J. Mater. Chem. 1998, 8, 2299.
39. M. J. Pietrowski, R. A. De Souza, M. Fartmann, R. ter Veen, M. Martin, Fuel Cells 2013, 13, 673.
40. W. Eichenauer, G. Müller, Z. Metallk. 1962, 53, 321.
41. T. A. Ramanarayanan, R. A. Rapp, Metall. Trans. 1972, 3, 3239.
42. H. Rickert, R. Steiner, Z. Phys. Chem.-Frankfurt 1966, 49, 127.
43. T. G. Stratton, H. L. Tuller, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2 1987, 83, 1143.
44. Z. W. Cui, Y. Sun, J. M. Qu, Solid State Ionics 2012, 226, 24.
45. A. Vojvodic, F. Calle-Vallejo, W. Guo, S. Wang, A. Toftelund, F. Studt, J. I. Martínez, J. Shen, I. C. Man, J. Rossmeisl, T. Bligaard, J. K. Nørskov, F. Abild-Pedersen, J. Chem. Phys. 2011, 134, 8.
46. D. Vanderbilt, Phys. Rev. B 1990, 41, 7892.
47. M. C. Payne, M. P. Teter, D. C. Allan, T. A. Arias, J. D. Joannopoulos, Rev. Mod. Phys. 1992, 64, 1045.
48. G. Kresse, J. Furthmüller, Comput. Mater. Sci. 1996, 6, 15.
49. S. R. Bahn, K. W. Jacobsen, Comput. Sci Eng. 2002, 4, 56.
50. B. Hammer, L. B. Hansen, J. K. Nørskov, Phys. Rev. B 1999, 59, 7413.
51. C. Zhang, P. D. Bristowe, RSC Adv. 2013, 3, 12267.
52. C. L. Ma, Z. Q. Yang, S. Picozzi, J. Phys.-Condens. Matter 2006, 18, 7717.
53. G. Kresse, J. Furthmüller, Phys. Rev. B 1996, 54, 11169.
54. W. H. Baur, Acta Crystallogr. 1956, 9, 515.
55. W. R. Robinson, J. Solid State Chem. 1974, 9, 255.
56. D. R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press, Boca Raton, FL 2005.
57. S. C. Abrahams, J. l. Bernstei, Acta Crystallogr. B-Str. Crystallogr. Crystal Chem. 1969, B 25, 1233.
58. C. Pascual, P. Durán, J. Am. Ceram. Soc. 1983, 66, 23.
59. P. Norby, R. Dinnebier, A. N. Fitch, Inorg. Chem. 2002, 41, 3628.
60. L. Kihlborg, Ark. Kemi 1963, 21, 357.
61. D. J. M. Bevan, J. Kordis, J. Inorg. Nucl. Chem. 1964, 26, 1509.
62. S. Gangopadhayay, T. Inerbaev, A. E. Masunov, D. Altilio, N. Orlovskaya, ACS Appl. Mater. Interfaces 2009, 1, 1512.
63. S. Hashimoto, Y. Fukuda, M. Kuhn, K. Sato, K. Yashiro, J. Mizusaki, Solid State Ionics 2011, 186, 37.
64. F. Tsui, M. C. Smoak, T. K. Nath, C. B. Eom, Appl. Phys. Lett. 2000, 76, 2421.
65. M. García-Mota, A. Vojvodic, H. Metiu, I. C. Man, H. Y. Su, J. Rossmeisl, J. K. Nørskov, ChemCatChem 2011, 3, 1607.
66. A. Getsoian, A. T. Bell, J. Phys. Chem. C 2013, 117, 25562.
67. H. Hsu, K. Umemoto, M. Cococcioni, R. M. Wentzcovitch, Phys. Earth Planet. Interiors 2011, 185, 13.
68. G. Henkelman, A. Arnaldsson, H. Jõnsson, Comput. Mater. Sci. 2006, 36, 354.
69. H. P. Ding, A. V. Virkar, M. L. Liu, F. Liu, Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 489.
70. V. Botu, R. Ramprasad, A. B. Mhadeshwar, Surf. Sci. 2014, 619, 49.
71. J. J. Mortensen, L. B. Hansen, K. W. Jacobsen, Phys. Rev. B 2005, 71, 035109.
72. J. Enkovaara, C. Rostgaard, J. J. Mortensen, J. Chen, M. Dułak, L. Ferrighi, J. Gavnholt, C. Glinsvad, V. Haikola, H. A. Hansen, H. H. Kristoffersen, M. Kuisma, A. H. Larsen, L. Lehtovaara, M. Ljungberg, O. Lopez-Acevedo, P. G. Moses, J. Ojanen, T. Olsen, V. Petzold, N. A. Romero, J. Stausholm-Møller, M. Strange, G. A. Tritsaris, M. Vanin, M. Walter, B. Hammer, H. Häkkinen, G. K. H. Madsen, R. M. Nieminen, J. Nørskov, M. Puska, T. T. Rantala, J. Schiøtz, K. S. Thygesen, K. W. Jacobsen, J. Phys.-Condens. Matter 2010, 22, 24.
73. S. L. Dudarev, G. A. Botton, S. Y. Savrasov, C. J. Humphreys, A. P. Sutton, Phys. Rev. B 1998, 57, 1505.
74. A. J. Medford, A. Vojvodic, F. Studt, F. Abild-Pedersen, J. K. Nørskov, J. Catal. 2012, 290, 108.
75. Y. L. Lee, J. Kleis, J. Rossmeisl, D. Morgan, Phys. Rev. B 2009, 80, 20.
76. H. J. Kulik, N. Marzari, J. Chem. Phys. 2011, 134, 094103.
77. M. Cococcioni, S. de Gironcoli, Phys. Rev. B 2005, 71, 035105.
78. R. Michalsky, Y.-J. Zhang, A. J. Medford, A. A. Peterson, J. Phys. Chem. C 2014, 118, 13026.
79. S. Piskunov, E. Spohr, T. Jacob, E. A. Kotomin, D. E. Ellis, Phys. Rev. B 2007, 76, 012410.
80. T. Albaret, F. Finocchi, C. Noguera, Faraday Discuss. 1999, 114, 285.
81. J. Ashkenazi, M. G. Vincent, K. Yvon, J. M. Honig, J. Phys. C-Solid State Phys. 1981, 14, 353.
82. Y. A. Mastrikov, M. M. Kuklja, E. A. Kotomin, J. Maier, Energy Environ. Sci. 2010, 3, 1544.
83. A. Hallil, J. M. Raulot, M. Cherkaoui, Comput. Mater. Sci. 2014, 81, 366.
84. M. Breedon, M. J. S. Spencer, I. Yarovsky, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 16603.
85. N. A. Marks, D. J. Carter, M. Sassi, A. L. Rohl, K. E. Sickafus, B. P. Uberuaga, C. R. Stanek, J. Phys.-Condens. Matter 2013, 25, 065504.
86. X. Xia, R. J. Oldman, C. R. A. Catlow, J. Mater. Chem. 2011, 21, 14549.
87. X. W. Sha, L. Chen, A. C. Cooper, G. P. Pez, H. S. Cheng, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 11399.
88. M. O. Özbek, I. Önal, R. A. van Santen, ChemCatChem 2011, 3, 150.
89. N. J. Castellani, M. A. Branda, K. M. Neyman, F. Illas, J. Phys. Chem. C 2009, 113, 4948.