Multifunctional semiconductor cubic silicon carbide (3C-SiC) is employed for fuel cell electrolyte, which has never been used before. n-type 3C-SiC can be individually employed as the electrolyte in fuel cells, but delivers insufficient open circuit voltage and minuscule current density due to its electronic dominant property. By introducing n-type ZnO to form an n–n 3C-SiC/ZnO heterostructure, significant enhancements in the ionic conductivity of 0.12 S/cm and fuel cell performance of 270 mW cm−2 are achieved at 550 °C. It is found that the energy band bending and build-in electric field of the heterostructure play the pivotal role in the ionic transport and suppressing the electronic conduction of 3C-SiC, leading to a markable material ionic property and fuel cell performance. These findings suggest that 3C-SiC can be tuned to ionic conducting electrolyte for fuel cell applications through the heterostructure approach and energy band alignment methodology.

1.
A. A.
Lebedev
,
Semicond. Sci. Technol.
21
,
R17
(
2006
).
2.
M.
Bhatnagar
and
B. J.
Baliga
,
IEEE Trans. Electron Devices
40
,
645
(
1993
).
3.
H.
MorkoG
,
S.
Strite
,
G. B.
Gao
,
M. E.
Lin
,
B.
Sverdlov
, and
M.
Burns
,
J. Appl. Phys.
76
,
1363
(
1994
).
4.
K. M.
Speer
,
P. G.
Neudeck
,
M. A.
Crimp
,
C.
Burda
, and
P.
Pirouz
,
Phys. Status Solidi A
204
,
2216
(
2007
).
5.
A.
Luque
,
A.
Martí
, and
C.
Stanley
,
Nat. Photonics
6
,
146
(
2012
).
6.
H.
Heidarzadeh
,
Opt. Quantum Electron.
51
,
32
(
2019
).
7.
N.
Ichikawa
,
M.
Kato
, and
M.
Ichimura
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
153904
(
2016
).
8.
J.
Tae Song
,
H.
Mashiko
,
M.
Kamiya
,
Y.
Nakamine
,
A.
Ohtomo
,
T.
Iwasaki
, and
M.
Hatano
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
213901
(
2013
).
9.
J.
Zang
,
L.
Dong
,
Y.
Jia
,
H.
Pan
,
Z.
Gao
, and
Y.
Wang
,
Appl. Catal., B
144
,
166
(
2014
).
10.
R.
Dhiman
,
E.
Johnson
,
E. M.
Skou
,
P.
Morgen
, and
S. M.
Andersen
,
J. Mater. Chem. A
1
,
6030
(
2013
).
11.
G.
Chen
,
H.
Liu
,
Y.
He
,
L.
Zhang
,
M. I.
Asghar
,
S.
Geng
, and
P. D.
Lund
,
J. Mater. Chem. A
7
,
9638
(
2019
).
12.
G.
Chen
,
B.
Zhu
,
H.
Deng
,
Y.
Luo
,
W.
Sun
,
H.
Liu
,
W.
Zhang
,
X.
Wang
,
Y.
Qian
,
X.
Hu
,
S.
Geng
, and
J.
Kim
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
33179
(
2018
).
13.
Y.
Zhou
,
X.
Guan
,
H.
Zhou
,
K.
Ramadoss
,
S.
Adam
,
H.
Liu
,
S.
Lee
,
J.
Shi
,
M.
Tsuchiya
,
D. D.
Fong
, and
S.
Ramanathan
,
Nature
534
,
231
(
2016
).
14.
Y.
Wu
,
B.
Zhu
,
M.
Huang
,
L.
Liu
,
Q.
Shi
,
M.
Akbar
,
C.
Chen
,
J.
Wei
,
J. F.
Li
,
L. R.
Zheng
,
J. S.
Kim
, and
H. B.
Song
,
Science
369
,
184
(
2020
).
15.
C.
Xia
,
Y.
Mi
,
B.
Wang
,
B.
Lin
,
G.
Chen
, and
B.
Zhu
,
Nat. Commun.
10
,
1
(
2019
).
16.
Y.
Xing
,
Y.
Wu
,
L.
Li
,
Q.
Shi
,
J.
Shi
,
S.
Yun
,
M.
Akbar
,
B.
Wang
,
J.
Kim
, and
B.
Zhu
,
ACS Energy Lett.
4
,
2601
(
2019
).
17.
W.
Dong
,
Y.
Tong
,
B.
Zhu
,
H.
Xiao
,
L.
Wei
,
C.
Huang
,
B.
Wang
,
X.
Wang
,
J.
Kim
, and
H.
Wang
,
J. Mater. Chem. A
7
,
16728
(
2019
).
18.
S.
Tengeler
,
B.
Kaiser
,
G.
Ferro
,
D.
Chaussende
, and
W.
Jaegermann
,
Appl. Surf. Sci.
427
,
480
(
2018
).
19.
B.
Vadim
,
N.
Marina
,
S.
Alexander
,
D.
Alexey
, and
M.
Alexander
,
Beilstein J. Nanotechnol.
10
,
1537
(
2019
).
20.
A.
Ievtushenko
,
O.
Khyzhun
,
I.
Shtepliuk
,
V.
Tkach
,
V.
Lazorenko
, and
G.
Lashkarev
,
Acta Phys. Pol. A
124
,
858
(
2013
).
21.
T. H.
Etsell
and
S. N.
Flengas
,
Chem. Rev.
70
,
3
(
1970
).
22.
W.
Fan
,
H.
Li
,
F.
Zhao
,
X.
Xiao
,
Y.
Huang
,
H.
Ji
, and
Y.
Tong
,
Chem. Commun.
52
,
5316
(
2016
).
23.
F.
Chang
,
S.
Brahma
,
J.
Huang
,
Z.
Wu
, and
K.
Lo
,
Sci. Rep.
9
,
905
(
2019
).
24.
B.
Wang
,
B.
Zhu
,
S. N.
Yun
,
W.
Zhang
,
C.
Xia
, and
M.
Afzal
,
NPG Asia Mater.
11
,
51
(
2019
).
25.
T. S.
Perova
,
J.
Wasyluk
,
S. A.
Kukushkin
,
A. V.
Osipov
,
N. A.
Feoktistov
, and
S. A.
Grudinkin
,
Nanoscale Res. Lett.
5
,
1507
(
2010
).
26.
G.
Litrico
,
N.
Piluso
, and
F. L.
Via
,
Mater. Sci. Forum
897
,
303
(
2017
).
27.
D. G.
Sarang
,
S.
Vikas
,
S.
Ashish
,
S. B.
Vidushi
,
Y.
Masatoshi
,
N.
Atsuko
, and
T.
Neeti
,
RSC Adv.
9
,
26956
(
2019
).
28.
T.
Sander
,
S.
Eisermann
,
B. K.
Meyer
, and
P. J.
Klar
,
Phys. Rev. B
85
,
165208
(
2012
).
29.
K. N.
Yu
,
Y.
Xiong
,
Y.
Liu
, and
C.
Xiong
,
Phys. Rev. B
55
,
2666
(
1997
).
30.
J. G.
Barriocanal
,
A. R.
Calzada
,
M.
Varela
,
Z.
Sefrioui
,
E.
Iborra
,
C.
Leon
,
S. J.
Pennycook
, and
J.
Santamaria
,
Science
321
,
676
(
2008
).
31.
A.
Gali
,
D.
Heringer
,
P. D.
K
,
Z.
Hajnal
,
T. F. R. P.
Devaty
, and
W. J.
Choyke
,
Phys. Rev. B
66
,
125208
(
2002
).
32.
H. B.
Fan
,
G. S.
Sun
,
S. Y.
Yang
,
P. F.
Zhang
,
R. Q.
Zhang
,
H. Y.
Wei
,
C. M.
Jiao
,
X. L.
Liu
,
Y. H.
Chen
,
Q. S.
Zhu
, and
Z. G.
Wang
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
192107
(
2008
).
33.
H. W.
Yeom
,
I.
Matsuda
,
Y. C.
Chao
,
S.
Hara
,
S.
Yoshida
, and
R. I. G.
Uhrberg
,
Phys. Rev. B
61
,
R2417
(
2000
).
34.
H. J.
Schliwinski
,
M.
Pelka
,
L. M.
Buchmann
,
W.
Windbracke
,
P.
Lange
, and
L.
Csepregi
,
Mater. Sci. Eng. B
11
,
73
(
1992
).
35.
Y.
Wang
,
H.
Wang
, and
G.
Ma
,
Thin Solid Films
335
,
249
(
1998
).
36.
R.
Xu
,
Y.
Wu
,
X.
Wang
,
J.
Zhang
,
X.
Yang
, and
B.
Zhu
,
Int. J. Hydrogen Energy
42
,
17495
(
2017
).
37.
B.
Zhu
,
Y. Z.
Huang
,
L. D.
Fan
,
Y.
Ma
,
B. Y.
Wang
,
C.
Xia
,
M.
Afzal
,
B. W.
Zhang
,
W. J.
Dong
,
H.
Wang
, and
P. D.
Lund
,
Nano Energy
19
,
156
(
2016
).
38.
S.
Carapezzi
,
A.
Castaldini
,
F.
Fabbri
,
F.
Rossi
,
M.
Negri
,
G.
Salviati
, and
A.
Cavallini
,
J. Mater. Chem. C
4
,
8226
(
2016
).
39.
R.
Marschall
,
Adv. Funct. Mater.
24
,
2421
(
2014
).
40.
J.
Zhang
,
X. L.
Wu
,
L. Z.
Liu
,
L.
Yang
,
Z. X.
Gan
, and
P. K.
Chu
,
AIP Adv.
5
,
37120
(
2015
).
41.
X.
Wang
,
H.
Pu
,
D.
Hu
,
Y.
Zang
,
J.
Hu
,
Y.
Yang
, and
C.
Chen
,
Mater. Lett.
227
,
315
(
2018
).
42.
N.
Mushtaq
,
C.
Xia
,
W.
Dong
,
B.
Wang
,
R.
Raza
,
A.
Ali
,
M.
Afzal
, and
B.
Zhu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
,
38737
(
2019
).
43.
B.
Zhu
,
B.
Wang
,
Y.
Wang
,
R.
Raza
,
W.
Tan
,
J.
Kim
,
P. A.
van Aken
, and
P.
Lund
,
Nano Energy
37
,
195
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.