燃料電池最新Science：半導體異質結構中場致金屬態實現的質子傳輸

木文韜 3年前 (2020-07-10) 18552瀏覽

【引言】

新一代質子陶瓷燃料電池（PCFCs）研究的關鍵問題是制備高質子電導率的電解質。Goodenough在固體氧化物燃料電池（SOFCs）結構設計的基礎上，提出了氧化物離子導體的開發。在這種方法中，氧化物離子導體的設計是通過摻雜，使主陽離子被低價陽離子所取代，從而產生氧空位以實現O^2-導電性（如Y³⁺或Sm³⁺取代氧化鋯或螢石結構中的Zr⁴⁺或Ce⁴⁺）。然而，結構摻雜并沒有帶來傳統釔穩定氧化鋯電解質的替代品。功能型三電荷導電的BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3?δ陰極的報告，促使人們探索使PCFCs與SOFCs競爭的策略，但質子陶瓷電解質的電導率仍遠低于0.1?S cm^-1的理想值。

【成果簡介】

今日，在中國地質大學(武漢)朱斌教授和宋懷兵教授（共同通訊作者）團隊等人帶領下，與湖北大學、華中科技大學、廈門大學、中國科學院高能物理研究所和英國拉夫堡大學合作，提出一種通過Na_xCoO₂/CeO₂半導體異質結構設計增強質子導體的方法，其中界面處的場致金屬態會加速質子傳輸。團隊開發了一種質子陶瓷燃料電池，在520℃時的離子電導率為0.30?S cm^-1，輸出功率為1 W/cm²。通過半導體異質結構方法，團隊的研究結果提供了對質子傳輸機制的深入了解，這也可能改善其他能源應用中的離子傳輸。相關成果以題為“Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure”發表在了Science。