Over the past several years, important strides have been made in demonstrating protonic ceramic fuel cells (PCFCs). Such fuel cells offer the potential of environmentally sustainable and cost-effective electric power generation. However, their power outputs have lagged behind predictions based on their high electrolyte conductivities. Here we overcome PCFC performance and stability challenges by employing a high-activity cathode, PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ (PBSCF), in combination with a chemically stable electrolyte, BaZr0.4Ce0.4Y0.1Yb0.1O3 (BZCYYb4411). We deposit a thin dense interlayer film of the cathode material onto the electrolyte surface to mitigate contact resistance, an approach which is made possible by the proton permeability of PBSCF. The peak power densities of the resulting fuel cells exceed 500 mW cm−2 at 500 °C, while also offering exceptional, long-term stability under CO2. Protonic ceramic fuel cells use oxide electrolytes with high protonic conductivity but suffer from low power densities due to sluggish oxygen reduction kinetics and high contact resistances. Here the authors integrate a PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ cathode and a BaZr0.4Ce0.4Y0.1Yb0.1O3 electrolyte, achieving exceptional power density and stability.

Views Icon Views Article contents Figures & tables Video Audio Supplementary Data Peer Review Share Icon Share Twitter Facebook Reddit LinkedIn Tools Icon Tools Reprints and Permissions Cite Icon Cite Search Site Citation Jun Cui, Yiming Wu, Jan Muehlbauer, Yunho Hwang, Reinhard Radermacher, Sean Fackler, Manfred Wuttig, Ichiro Takeuchi; Demonstration of high efficiency elastocaloric cooling with large ΔT using NiTi wires. Appl. Phys. Lett. 13 August 2012; 101 (7): 073904. https://doi.org/10.1063/1.4746257 Download citation file: Ris (Zotero) Reference Manager EasyBib Bookends Mendeley Papers EndNote RefWorks BibTex toolbar search Search Dropdown Menu toolbar search search input Search input auto suggest filter your search All ContentAIP Publishing PortfolioApplied Physics Letters Search Advanced Search |Citation Search

Abstract The discovery of a universal behavior in rare‐earth (RE)‐substituted perovskite BiFeO 3 is reported. The structural transition from the ferroelectric rhombohedral phase to an orthorhombic phase exhibiting a double‐polarization hysteresis loop and substantially enhanced electromechanical properties is found to occur independent of the RE dopant species. The structural transition can be universally achieved by controlling the average ionic radius of the A‐site cation. Using calculations based on first principles, the energy landscape of BiFeO 3 is explored, and it is proposed that the origin of the double hysteresis loop and the concomitant enhancement in the piezoelectric coefficient is an electric‐field‐induced transformation from a paraelectric orthorhombic phase to the polar rhombohedral phase.

BiFeO3 is one of the most studied multiferroic materials. Both its magnetic and ferroelectric properties can be influenced by doping. A large body of work on the doped material has been presented in the past couple of years. In this paper we provide a perspective on general doping concepts and their impact on the material's functionality.

Abstract Superconductivity has been the focus of enormous research effort since its discovery more than a century ago. Yet, some features of this unique phenomenon remain poorly understood; prime among these is the connection between superconductivity and chemical/structural properties of materials. To bridge the gap, several machine learning schemes are developed herein to model the critical temperatures ( T c ) of the 12,000+ known superconductors available via the SuperCon database. Materials are first divided into two classes based on their T c values, above and below 10 K, and a classification model predicting this label is trained. The model uses coarse-grained features based only on the chemical compositions. It shows strong predictive power, with out-of-sample accuracy of about 92%. Separate regression models are developed to predict the values of T c for cuprate, iron-based, and low- T c compounds. These models also demonstrate good performance, with learned predictors offering potential insights into the mechanisms behind superconductivity in different families of materials. To improve the accuracy and interpretability of these models, new features are incorporated using materials data from the AFLOW Online Repositories. Finally, the classification and regression models are combined into a single-integrated pipeline and employed to search the entire Inorganic Crystallographic Structure Database (ICSD) for potential new superconductors. We identify >30 non-cuprate and non-iron-based oxides as candidate materials.

Abstract Improving the functional stability of shape memory alloys (SMAs), which undergo a reversible martensitic transformation, is critical for their applications and remains a central research theme driving advances in shape memory technology. By using a thin‐film composition‐spread technique and high‐throughput characterization methods, the lattice parameters of quaternary Ti–Ni–Cu–Pd SMAs and the thermal hysteresis are tailored. Novel alloys with near‐zero thermal hysteresis, as predicted by the geometric non‐linear theory of martensite, are identified. The thin‐film results are successfully transferred to bulk materials and near‐zero thermal hysteresis is observed for the phase transformation in bulk alloys using the temperature‐dependent alternating current potential drop method. A universal behavior of hysteresis versus the middle eigenvalue of the transformation stretch matrix is observed for different alloy systems. Furthermore, significantly improved functional stability, investigated by thermal cycling using differential scanning calorimetry, is found for the quaternary bulk alloy Ti 50.2 Ni 34.4 Cu 12.3 Pd 3.1 .

Advances in renewable and sustainable energy technologies critically depend on our ability to design and realize materials with optimal properties. Materials discovery and design efforts ideally involve close coupling between materials prediction, synthesis and characterization. The increased use of computational tools, the generation of materials databases, and advances in experimental methods have substantially accelerated these activities. It is therefore an opportune time to consider future prospects for materials by design approaches. The purpose of this Roadmap is to present an overview of the current state of computational materials prediction, synthesis and characterization approaches, materials design needs for various technologies, and future challenges and opportunities that must be addressed. The various perspectives cover topics on computational techniques, validation, materials databases, materials informatics, high-throughput combinatorial methods, advanced characterization approaches, and materials design issues in thermoelectrics, photovoltaics, solid state lighting, catalysts, batteries, metal alloys, complex oxides and transparent conducting materials. It is our hope that this Roadmap will guide researchers and funding agencies in identifying new prospects for materials design.

Elastocaloric cooling, which exploits the latent heat released and absorbed as stress-induced phase transformations are reversibly cycled in shape memory alloys, has recently emerged as a frontrunner in non-vapor-compression cooling technologies. The intrinsically high thermodynamic efficiency of elastocaloric materials is limited only by work hysteresis. Here, we report on creating high-performance low-hysteresis elastocaloric cooling materials via additive manufacturing of Titanium-Nickel (Ti-Ni) alloys. Contrary to established knowledge of the physical metallurgy of Ti-Ni alloys, intermetallic phases are found to be beneficial to elastocaloric performances when they are combined with the binary Ti-Ni compound in nanocomposite configurations. The resulting microstructure gives rise to quasi-linear stress-strain behaviors with extremely small hysteresis, leading to enhancement in the materials efficiency by a factor of five. Furthermore, despite being composed of more than 50% intermetallic phases, the reversible, repeatable elastocaloric performance of this material is shown to be stable over one million cycles. This result opens the door for direct implementation of additive manufacturing to elastocaloric cooling systems where versatile design strategy enables both topology optimization of heat exchangers as well as unique microstructural control of metallic refrigerants.