燃料电池最新Science：半导体异质结构中场致金属态实现的质子传输

【引言】

新一代质子陶瓷燃料电池（PCFCs）研究的关键问题是制备高质子电导率的电解质。Goodenough在固体氧化物燃料电池（SOFCs）结构设计的基础上，提出了氧化物离子导体的开发。在这种方法中，氧化物离子导体的设计是通过掺杂，使主阳离子被低价阳离子所取代，从而产生氧空位以实现O^2-导电性（如Y³⁺或Sm³⁺取代氧化锆或萤石结构中的Zr⁴⁺或Ce⁴⁺）。然而，结构掺杂并没有带来传统钇稳定氧化锆电解质的替代品。功能型三电荷导电的BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3−δ阴极的报告，促使人们探索使PCFCs与SOFCs竞争的策略，但质子陶瓷电解质的电导率仍远低于0.1 S cm^-1的理想值。

【成果简介】

今日，在中国地质大学(武汉)朱斌教授和宋怀兵教授（共同通讯作者）团队等人带领下，与湖北大学、华中滚球体育 大学、厦门大学、中国科学院高能物理研究所和英国拉夫堡大学合作，提出一种通过Na_xCoO₂/CeO₂半导体异质结构设计增强质子导体的方法，其中界面处的场致金属态会加速质子传输。 团队开发了一种质子陶瓷燃料电池，在520℃时的离子电导率为0.30 S cm^-1，输出功率为1 W/cm²。通过半导体异质结构方法，团队的研究结果提供了对质子传输机制的深入了解，这也可能改善其他能源应用中的离子传输。相关成果以题为“Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure”发表在了Science。

【图文导读】

图1NCO/CeO₂快速质子迁移异质结构功能的设计

图2 NCO/CeO₂的结构表征

图3 NCO/CeO₂电池的性能和质子传输测量

图4 质子传输路径

文献链接：Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure（Science，2020，DOI:10.1126/science.aaz9139）

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