近日，我校物理與電子科學(xué)學(xué)院朱斌教授團(tuán)隊(duì)在低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)方面取得突破性進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Shaping triple-conducting semiconductor BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ into an electrolyte for low-temperature solid oxide fuel cells”為題發(fā)表于國(guó)際著名期刊Nature Communications（Nature子刊，SCI影響因子12.353）。物電學(xué)院青年教師夏晨為論文的第一作者，朱斌教授和汪寶元副教授為共同通訊作者，湖北大學(xué)是該論文的第一完成單位和通訊單位。
固體氧化物燃料電池（SOFC）由于具有高轉(zhuǎn)化效率、低污染、燃料多樣性等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來已逐漸成為科學(xué)研究的熱點(diǎn)。然而，其核心部件電解質(zhì)層通常需要較高的操作溫度（800-1200℃），極大地提高了電池的制造和運(yùn)行成本，導(dǎo)致SOFC商業(yè)轉(zhuǎn)化困難。為了降低SOFC的操作溫度，需要開發(fā)在低溫（300-600℃）下具有高離子電導(dǎo)率的新型電解質(zhì)。近期的研究提出了一種具有質(zhì)子/氧離子/電子三重導(dǎo)電的質(zhì)子陶瓷燃料電池陰極BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ(BCFZY)，發(fā)現(xiàn)其在低溫區(qū)間能保持良好的質(zhì)子/氧離子電導(dǎo)率和氧氣還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。
為了充分利用BCFZY在低溫下的優(yōu)勢(shì)并消除其電子電導(dǎo)的負(fù)面影響，朱斌教授團(tuán)隊(duì)提出了pn異質(zhì)結(jié)構(gòu)電解質(zhì)的想法，即通過引入n型半導(dǎo)體ZnO與p型半導(dǎo)體BCFZY構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合電解質(zhì)，利用體異質(zhì)結(jié)促進(jìn)離子的運(yùn)輸并且阻擋電子的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)功能。研究發(fā)現(xiàn)，所制備的BCFZY-ZnO電解質(zhì)具有大量的異相界面，應(yīng)用于低溫SOFC后能夠?qū)崿F(xiàn)理想的開路電壓和輸出功率，排除了電子的短路問題。通過對(duì)交流阻抗譜和極化曲線的分析，研究發(fā)現(xiàn)該材料具有優(yōu)異的混合質(zhì)子/氧離子電導(dǎo)率（500℃達(dá)到0.20 S/cm）。基于對(duì)兩種半導(dǎo)體在SOFC氣氛下導(dǎo)電類型以及能級(jí)位置的測(cè)試，研究團(tuán)隊(duì)從能帶理論的角度分析了電解質(zhì)中體異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電勢(shì)對(duì)離子運(yùn)輸?shù)拇龠M(jìn)機(jī)制以及對(duì)電子的阻擋作用。這一研究成功地將離子導(dǎo)電型半導(dǎo)體整合到SOFC的電解質(zhì)層中，為發(fā)展高性能的低溫電解質(zhì)提供了一個(gè)全新的思路。該項(xiàng)工作依托于物電學(xué)院“鐵電壓電材料與器件”湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員
近年來，該團(tuán)隊(duì)從半導(dǎo)體物理的視角設(shè)計(jì)和研究了多種新型低溫SOFC，先后在無電解質(zhì)層燃料電池、肖特基結(jié)燃料電池、鈣鈦礦太陽能電池型燃料電池、天然礦物基燃料電池以及半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)電解質(zhì)燃料電池等方面取得了系列成果，在新一代半導(dǎo)體物理結(jié)合離子電化學(xué)的高效清潔能源技術(shù)方面形成了特色。該團(tuán)隊(duì)至今以湖北大學(xué)為第一單位或通訊作者單位，在Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Func. Mater.、ACS Energy Lett.、Nat. Commun.、J.Mater.Chem.A、ACSAppl.Mater. Inter.、J.Power Sources、Appl.Phys.Lett.、Electrochim. Acta等國(guó)際影響力學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了SCI論文50余篇，參加國(guó)際重要會(huì)議作大會(huì)特邀報(bào)告10余次，有效提升了學(xué)校在燃料電池研究領(lǐng)域的國(guó)際影響力。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09532-z.pdf
