新型钙钛矿基阳极材料实现中低温高效率

在持续的能源和气候危机中，风险从未如此之高。我们迫切需要找到更好的方法来生产清洁能源以取代化石燃料。到目前为止，燃料电池似乎是最有前途的研究方向之一。这些电化学装置可以直接从化学反应中产生电能，并且可以定制为在反应物和输出方面对环境友好的装置。

燃料电池有多种类型，但固体氧化物燃料电池(SOFC) 引起了研究人员的特别关注。由于无需液体电解质，它们具有更高的安全性，并且通常更容易制造。不幸的是，它们的主要缺点之一是工作温度高。

传统的 SOFC 需要超过 700°C 才能正常工作，这限制了它们的适用性，降低了它们的效率和功率输出，并且往往损害了它们的耐用性。因此，人们正在研究一种可以在较低温度范围内运行的质子传导 SOFC (PC-SOFC)，作为一种有前途的替代方案。

在此背景下，东京理科大学樋口徹教授等研究团队通过开发一种新型空穴-质子混合导体材料，在PC-SOFC方面取得了突破。

他们的研究成果于 2024 年 6 月 18 日发表在《日本物理学会杂志》上，可能为能源技术的重要技术进步铺平道路。

该材料是一种钙钛矿型氧化物陶瓷，分子式为 BaCe 0.4 Pr 0.4 Y 0.2 O 3 − δ (BCPY)。这些特定的掺杂剂，即 Pr 和 Y 离子，是根据研究团队成员之前的研究成果而选定的。

他们观察到 BaCe 0.9 Y 0.1 O 3 − δ和 BaPrO 3 − δ分别表现出质子和空穴(一种正电荷载体)传导。因此，他们推测 Pr 和 Y 共掺杂可能会产生较高的质子-空穴混合电导率。

这种材料可用于PC-SOFC的阳极电极，正如Higuchi教授所解释的那样，“其他燃料电池中使用的Pt金属电极存在一些问题，例如，由于电化学反应仅发生在燃料气体/电极/电解质相交的三相界面上，因此功率输出会大幅下降。为了解决这个问题，通过扩大电化学反应面积，具有混合传导性的致密膜可用于提高PC-SOFC的性能。”

研究人员利用溅射技术制备了 BCPY 薄膜，并仔细分析了其导电性能，试图找到混合质子-空穴传导的证据。为此，他们建立了一种定量评估方法，利用 X 射线吸收光谱和缺陷化学分析来确定氧空位。

通过这些实验以及其他一些实验，包括用于电子能带结构分析的同步辐射光电子能谱，他们发现了大量证据表明，混合空穴-质子传导可以在所提出的电极材料的表面上发生。