ag國際亞游登錄平臺在燃料電池領域研究取得重大進展,相關成果發布于《科學》期刊

2020-07-104945

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【東大資訊網7月10日電】(通訊員 王軍)7月10日國際著名期刊《Science》刊發論文《電場誘導異質界面金屬態構建超質子傳輸》(Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure)。ag國際亞游登錄平臺太陽能技術研究中心/儲能聯合研究中心首席科學家朱斌教授為該論文共同一作和主通訊編輯,此項研究成果標志著ag國際亞游登錄平臺在燃料電池領域相關研究取得了重大進展。

燃料電池是國家能源發展戰略的一個重點領域。電解質是燃料電池的核心組成部分,其離子電導率的性能決定了燃料電池性能的優劣,目前制約燃料電池性能開發與應用的瓶頸是較低的離子電導率的電解質。

固體氧化物燃料電池(SOFC)的電解質的發展歷經百年,至今沒有可以替代其釔穩定二氧化鋯(YSZ)氧離子傳導電解質材料,其氧離子電導率在約1000°C才達到高性能SOFC電導率要求的0.1 S/cm。為了解決這個挑戰,諾獎獲得者古迪納夫在2000年Nature發文提出要設計氧離子導體,其方法是傳統的結構離子摻雜方法,即通過低價陽離子取代高價陽離子,例如Y3+摻雜結構Zr4+,形成氧空位,進而產生氧離子電導率。但是,結構摻雜沒有解決SOFC電解質的挑戰。阻礙了燃料電池的商業化進程。

朱斌教授等人采用完全不同于傳統離子導體結構摻雜的方法,構建半導體材料的異質結構,通過利用半導體異質界面電子態/金屬態特性把質子局域于異質界面,設計和構造具有最低遷移勢壘的超質子高速通道;在燃料電池中,質子經電化學嵌入到異質材料界面,被帶正電的氧化鈰表面排斥到鈷酸鈉表面,但同時受到正電鈉離子的排擠不能進入鈷酸鈉內部,因而局域于兩者材料的界面空間,從而實現在最低勢壘的層間連續快速遷移。實驗成功地驗證了理論和計算結果,獲得了極其優異的質子電導率(較傳統釔穩定二氧化鋯電解質材料的電導率提升了幾個數量級),實現了先進質子陶瓷燃料電池示范(如圖)。

半導體異質結構和場誘導加速離子遷移是一個全新的科學機制,在大量的研究基礎上,正在形成一個新的學科和方法論:半導體離子學-研究半導體材料的離子輸運規律和應用的新興前沿學科(朱斌教授提出和帶領的研究)。對其全面和深入的研究必然帶來能源領域新的材料和技術的突破,具有普適的引導意義。

這項工作為科學設計優良質子傳輸材料提供了一個非常有效的策略,為質子限域傳輸和可控/可調提供了科學方法,大大加速商業化進程。該成果將促進新一代燃料電池研究和發展,對發展新能源技術具有重要科學意義和應用價值。該研究得到了國家自然科學基金委、ag國際亞游登錄平臺高層次人才引進計劃資助。

論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/369/6500/184?utm_campaign=toc_sci-mag_2020-07-09&et_rid=99219654&et_cid=3401489


供稿:ag國際亞游登錄平臺太陽能技術研究中心


(編發:李小男)



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