施主摻雜到具有無序本征氧空位的母材料中，而不是廣泛使用的受主摻雜到?jīng)]有氧空位的材料中的策略，可以大大提高鈣鈦礦型質(zhì)子導(dǎo)體在250-400℃中低溫下的電導(dǎo)率和穩(wěn)定性。 °C，如東京工業(yè)大學(xué)科學(xué)家所證明的那樣(例如 320 °C 時為 10 mS/cm)。這種創(chuàng)新方法為燃料電池和電解電池的質(zhì)子導(dǎo)體提供了新的設(shè)計方向。

世界許多國家都在推動可持續(xù)能源技術(shù)的發(fā)展。在這方面，質(zhì)子陶瓷(或質(zhì)子傳導(dǎo))燃料/電解電池(PCFC/PCEC)是強有力的競爭者。這些設(shè)備可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，反之亦然，在低溫或中溫下實現(xiàn)零排放，這使得它們成為下一代分布式電源等許多新興應(yīng)用的有吸引力的選擇。此外，與其他類型的燃料電池和電解槽不同，PCFC/PCEC 不需要貴金屬催化劑或昂貴的耐熱合金。

然而，目前還沒有關(guān)于質(zhì)子導(dǎo)體在250-400℃中低溫下同時具有高電導(dǎo)率和高穩(wěn)定性的報道。這個問題被稱為“諾比間隙”，多年來科學(xué)家們一直在尋找可以克服這個問題的材料。

在此背景下，東京工業(yè)大學(xué)(Tokyo Tech)的 Masatomo Yashima 教授和 Kei Saito 先生最近提出了一項可能徹底改變質(zhì)子導(dǎo)體設(shè)計和開發(fā)的新策略。他們的研究結(jié)果發(fā)表在著名的多學(xué)科期刊《自然通訊》上。

研究人員解決了最先進的鈣鈦礦型質(zhì)子導(dǎo)體的主要缺點之一。這些材料具有化學(xué)式A 2+ B 4+ O 3，其中A和B分別是較大和較小的陽離子。增強此類鈣鈦礦質(zhì)子電導(dǎo)率的一般策略是引入受體摻雜劑。即，價數(shù)低于B 4+的陽離子M 3+。這些“雜質(zhì)”在所得晶格中產(chǎn)生氧空位，從而增加質(zhì)子傳導(dǎo)性。然而，這種方法也產(chǎn)生了稱為“質(zhì)子捕獲”的問題，即由于靜電引力，質(zhì)子被受體摻雜劑M 3+捕獲，該受體摻雜劑M 3+ 相對于主體陽離子B 4+具有有效的負(fù)電荷。

為了避免這個問題，研究人員轉(zhuǎn)向了 BaScO 2.5。這種鈣鈦礦在其晶體結(jié)構(gòu)中具有固有的(或固有的)氧空位，這使得施主摻雜成為可能。該團隊將施主摻雜劑Mo 6+摻雜到BaScO 2.5中以產(chǎn)生BaSc 0.8 Mo 0.2 O 2.8(或“BSM20”)。“與傳統(tǒng)的受主摻雜方法相反，施主摻雜可以通過質(zhì)子和施主 Mo 6+ 陽離子之間的靜電排斥來減少質(zhì)子俘獲效應(yīng)，施主 Mo 6+陽離子的化合價高于主體陽離子 Sc 3+，”Yashima 教授解釋道。“這反過來又會導(dǎo)致高質(zhì)子傳導(dǎo)。”

經(jīng)過使用先進模擬技術(shù)的一系列實驗和理論分析，研究人員證明BSM20確實在諾比間隙的中低溫下提供了極高的質(zhì)子傳導(dǎo)率。此外，施主摻雜有助于穩(wěn)定立方鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，從而在整個材料中實現(xiàn)高效的三維質(zhì)子傳導(dǎo)。值得注意的是，BSM20 在氧化、還原和二氧化碳?xì)夥障乱脖憩F(xiàn)出非常高的穩(wěn)定性，這是許多實際應(yīng)用所必需的特性。

總體而言，這項研究的結(jié)果可以為具有前所未有的性能的 PCFC/PCEC 新型質(zhì)子導(dǎo)體鋪平道路。“所提出的策略和 BSM20 的發(fā)現(xiàn)可能會對能源和環(huán)境科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生重大影響，”Yashima 教授總結(jié)道。

我們也希望這些努力將為更加綠色的未來打開大門。