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提高电解质电导性,我国燃料电池最新研究成果刊发国际顶级期刊《科学》

时间:  2020-07-13 15:14   来源:  科技桥    作者:  网络转载

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燃料电池清洁无污染,被纳入国家能源战略,无奈电解质电导性太低,制约行业发展。现在,这一瓶颈有望被打破。2020年7月10日国际著名期刊《Science》刊发论文《电场诱导异质界面金属态构建超质子传输》(Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure)。

提高电解质电导性,我国燃料电池最新研究成果刊发国际顶级期刊《科学》

该论文首次通过利用半导体异质结界面的高电导性,为质子搭建快速迁移通道。此项研究成果由中国地质大学的吴艳、宋怀兵、东南大学的朱斌和湖北大学的黄敏等共同完成。这是我国科技工作者在能源领域取得的又一重大原创性研究成果。

燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电的第四种发电技术,其洁净、高效、无污染特点越来越引起关注。燃料电池已成为国家能源发展战略的一个重点领域。电解质是燃料电池的核心组成部分,其离子电导率的性能决定了燃料电池性能的优劣,目前制约燃料电池性能开发与应用的瓶颈是较低的离子电导率的电解质。高离子电导率的电解质开发,是解决目前燃料电池应用的关键。

固体氧化物燃料电池(SOFC)的电解质的发展历经百年,至今没有可以替代其钇稳定二氧化锆(YSZ)氧离子传导电解质材料,其氧离子电导率在约1000°C才达到高性能SOFC电导率要求的0.1 S/cm。为了解决这个挑战,诺奖获得者古迪纳夫在2000年Nature发文提出要设计氧离子导体,其方法是传统的结构离子掺杂方法,即通过低价阳离子取代高价阳离子,例如Y3+掺杂结构Zr4+,形成氧空位,进而提高氧离子电导率。但是结构掺杂的方法,并没有有效解决燃料电池电解质面临的百年挑战,很大程度上阻碍了燃料电池的商业化进程。

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NaxCoO2/CeO2异质结的设计思路

三校联合研究团队独辟蹊径,在由半导体材料钴酸钠和氧化铈组成的的异质结上寻求突破,采用完全不同于传统离子导体结构掺杂的方法,通过第一性原理计算,构建半导体材料的异质结构,通过利用半导体异质界面电子态/金属态特性把质子局域于异质界面,设计和构造具有最低迁移势垒的超质子高速通道;在燃料电池中,质子经电化学嵌入到异质材料界面,被带正电的氧化铈表面排斥到钴酸钠表面,但同时受到正电钠离子的排挤不能进入钴酸钠内部,因而局域于两者材料的界面空间,从而实现在最低势垒的层间连续快速迁移。

最终,实验成功地验证了理论和计算结果,异质结获得了极其优异的质子电导率。相比于传统钇稳定二氧化锆电解质材料,异质结界面的电导率提升了1000倍,电池的性能输出能达到1000毫瓦每平方厘米。实现了先进质子陶瓷燃料电池的示范。这项研究为燃料电池发展提供了突破性的助力,燃料电池有望实现能源的快速转化。

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NaxCoO2/CeO2异质结界面界面的金属特性(A,B,C)以及质子在NCO/CeO2异质结构的界面迁移过程(D,E)

半导体异质结构和场诱导加速离子迁移是一个全新的科学机制,是能源科学领域具有挑战性的研究课题,在大量的研究基础上,正在形成一个新的学科和方法论:半导体离子学-研究半导体材料的离子输运规律和应用的新兴前沿学科。对其全面和深入的研究必然带来能源领域新的材料和技术的突破,具有普适的指导意义。

该研究成果为科学设计优良质子传输材料提供了一个非常有效的策略,为优良质子传输材料和应用,提供了创新思路,为质子限域传输和可控/可调提供了科学方法,为燃料电池研发应用插上了翅膀,大大加速燃料电池的商业化进程。该成果将促进新一代燃料电池研究和发展,对发展能源新材料和新技术具有重要科学意义和应用价值。该研究得到了国家自然科学基金委的大力资助和支持。
 

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