施主掺杂到具有无序本征氧空位的母材料中，而不是广泛使用的受主掺杂到没有氧空位的材料中的策略，可以大大提高钙钛矿型质子导体在250-400℃中低温下的电导率和稳定性。 °C，如东京工业大学科学家所证明的那样(例如 320 °C 时为 10 mS/cm)。这种创新方法为燃料电池和电解电池的质子导体提供了新的设计方向。

世界许多国家都在推动可持续能源技术的发展。在这方面，质子陶瓷(或质子传导)燃料/电解电池(PCFC/PCEC)是强有力的竞争者。这些设备可以直接将化学能转化为电能，反之亦然，在低温或中温下实现零排放，这使得它们成为下一代分布式电源等许多新兴应用的有吸引力的选择。此外，与其他类型的燃料电池和电解槽不同，PCFC/PCEC 不需要贵金属催化剂或昂贵的耐热合金。

然而，目前还没有关于质子导体在250-400℃中低温下同时具有高电导率和高稳定性的报道。这个问题被称为“诺比间隙”，多年来科学家们一直在寻找可以克服这个问题的材料。

在此背景下，东京工业大学(Tokyo Tech)的 Masatomo Yashima 教授和 Kei Saito 先生最近提出了一项可能彻底改变质子导体设计和开发的新策略。他们的研究结果发表在著名的多学科期刊《自然通讯》上。

研究人员解决了最先进的钙钛矿型质子导体的主要缺点之一。这些材料具有化学式A 2+ B 4+ O 3，其中A和B分别是较大和较小的阳离子。增强此类钙钛矿质子电导率的一般策略是引入受体掺杂剂。即，价数低于B 4+的阳离子M 3+。这些“杂质”在所得晶格中产生氧空位，从而增加质子传导性。然而，这种方法也产生了称为“质子捕获”的问题，即由于静电引力，质子被受体掺杂剂M 3+捕获，该受体掺杂剂M 3+ 相对于主体阳离子B 4+具有有效的负电荷。

为了避免这个问题，研究人员转向了 BaScO 2.5。这种钙钛矿在其晶体结构中具有固有的(或固有的)氧空位，这使得施主掺杂成为可能。该团队将施主掺杂剂Mo 6+掺杂到BaScO 2.5中以产生BaSc 0.8 Mo 0.2 O 2.8(或“BSM20”)。“与传统的受主掺杂方法相反，施主掺杂可以通过质子和施主 Mo 6+ 阳离子之间的静电排斥来减少质子俘获效应，施主 Mo 6+阳离子的化合价高于主体阳离子 Sc 3+，”Yashima 教授解释道。“这反过来又会导致高质子传导。”

经过使用先进模拟技术的一系列实验和理论分析，研究人员证明BSM20确实在诺比间隙的中低温下提供了极高的质子传导率。此外，施主掺杂有助于稳定立方钙钛矿型结构，从而在整个材料中实现高效的三维质子传导。值得注意的是，BSM20 在氧化、还原和二氧化碳气氛下也表现出非常高的稳定性，这是许多实际应用所必需的特性。

总体而言，这项研究的结果可以为具有前所未有的性能的 PCFC/PCEC 新型质子导体铺平道路。“所提出的策略和 BSM20 的发现可能会对能源和环境科学技术产生重大影响，”Yashima 教授总结道。

我们也希望这些努力将为更加绿色的未来打开大门。