他们在《能源材料进展》上发表了关于低温质子陶瓷燃料电池萤石氧化物电解质中新超离子机制的研究工作。
“发展低温高性能固体氧化物燃料电池势在必行。” 通讯作者、西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室副教授黄建兵博士说。
黄博士解释说，质子陶瓷燃料电池作为低温运行的替代固体氧化物燃料电池具有几个显着的优势。
“在 PCFC 的开发中，人们付出了大量的努力来提高氧化物陶瓷电解质的质子电导率。随后的研究旨在通过结构掺杂来提高质子电导率。然而，需要进一步改进电解质材料，以实现更高的质子电导率，从而实现 PCFC 的高效运行。 ”
近年来，作为PCFC电解质的新型氧化物质子导体结构家族的开发已得到广泛开展。黄博士介绍，萤石氧化物中的表面/界面质子传导已成功应用于半导体离子膜燃料电池。在这种新型燃料电池中，氧化物颗粒的表面/界面将为低温退火电解质提供质子传输路径。
“在这项研究中，我们成功实现了沿着氧化物离子导体 GDC 颗粒的表面质子传输，在 500°C 下实现了 0.158 S cm -1的卓越电导率。” 黄博士说：“这种电导率水平比以往报道的与水相关的纳米晶体/纳米膜 GDC 的质子电导率高出几个数量级，甚至比现有技术高出 1-2 个数量级。” Ba(Ce,Zr)O 3基钙钛矿氧化物质子导体。"
黄博士说：“通过比较电化学阻抗谱与 GDC 和纯氧化铈的弛豫时间分布 (DRT) 结果，提出了涉及表面质子传导和本体氧离子迁移的协同机制。”
据黄博士介绍，燃料电池运行过程中，从阳极到阴极会形成氧空位浓度梯度。同时，通过在阴极和电解质之间的界面处自然捕获电子和氧空位，氧被还原为氧离子(O 2- )。借助氧浓度梯度产生的稳定驱动力，加速氧离子(O 2- )扩散。同时，GDC颗粒本体中的O 2-沿相反方向迁移，促进GDC颗粒表面上的H +迁移。
作者相信这一发现可能为萤石氧化物的离子传输机制提供新的见解，并为先进的低温 PCFC 开辟新的途径。
黄建兵博士、于勇博士、程小萌博士、郭烈金教授，来自西安交通大学能源与动力工程学院动力工程多相流国家重点实验室;其他贡献者包括江苏省太阳能科学与技术重点实验室/储能联合研究中心MAK Yousaf Shah、王浩和朱斌教授;Peter Lund 教授，阿尔托大学理学院。
国家自然科学基金重点项目(52336009)和有序能量转换基础科学中心项目(51888103);中央高校基本科研业务费专项资金和国家重点研发计划项目(2021YFB4001405);东南大学基础研究项目;国家自然科学基金面上项目;江苏省基础研究计划支持此项工作。
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