国际物理期刊Physical Review B发表我国关于固体氧化物燃料电池质子传导机理研究进展

双碳科学与新能源技术团队 2025-07-10

近日，西北工业大学柔性电子研究院黄维院士团队李致朋教授联合北京师范大学梁颖/马天星教授及长安大学令狐佳珺副教授，在固态氧化物燃料电池（SOFC）电解质材料领域取得突破

往期看点

近日，西北工业大学柔性电子研究院黄维院士团队李致朋教授联合北京师范大学梁颖/马天星教授及长安大学令狐佳珺副教授，在固态氧化物燃料电池（SOFC）电解质材料领域取得突破，相关成果以“In-depth investigation of conduction mechanism of defect-induced proton-conducting electrolytes BaHfO3”为题发表于Physical Review B，西北工业大学冯鹏为本论文第一作者。该研究聚焦质子电解质BaHfO3，深入剖析A位掺杂对其质子导电性能的影响机制，不仅为SOFC电解质材料研发注入新活力，更为清洁能源技术发展提供关键理论支撑。

01科学背景：

随着全球对清洁能源技术需求的不断攀升，固体氧化物燃料电池（SOFC）作为高效、清洁的能源转换器件，受到了科研人员的密切关注。传统的氧离子导体如掺杂钇的氧化锆（YSZ），需在800℃以上才能最优化运行。质子传导SOFC（H-SOFC）凭借在中低温段（400-600℃）的卓越性能，成为大规模储能与转换的热门选择，而电解质材料的性能直接决定了 SOFC 的发电效率与运行稳定性。其中Ba基钙钛矿氧化物BaHfO3凭借与BaZrO3同构、非常低的质子迁移能垒（0.28eV）及优异抗腐蚀性，展现出巨大潜力。

图1. 不同A位缺陷的BaHfO3中氧空位和质子迁移能垒

图2. BaHfO3在质子迁移过程中相关的HfO6八面体晶胞参数变化

图3. 在不同的A位缺陷下，质子从Oi迁移到Of的路径

创新点

1、证明 BaHfO3具有作为高效质子传导电解质的巨大潜力，其低质子迁移能垒使其在中低温区间表现优异。

2、发现质子在电解质中的迁移路径由两个部分组成：一是质子随着配位氧的位移；二是质子自身的位移。前者位移由A位离子半径的变化主要主导，而后者则更多归因于离子价态的变化。

3、阐明了A位缺陷对氧缺位形成能及质子迁移能垒的调控机制，揭示了低价态离子掺杂和Ba缺位引入对提升质子浓度和优化质子传导性能的关键作用。

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本研究阐明了BaHfO3中质子迁移的机制，表明质子迁移主要通过Grotthuss机制而非载体机制进行。这一发现增强了对材料中质子运输行为的理解，并为设计更高效的质子导体奠定了理论基础。通过研究质子迁移过程中晶格参数的变化，我们确定掺杂或控制缺陷并不会改变H⁺的迁移模式，但会影响迁移路径和能量障碍。这一见解对于理解掺杂如何影响材料的结构和性能至关重要。此外，本研究揭示，掺杂低价离子显著增加了BaHfO3中的质子浓度，但并未显著提高质子迁移能量障碍。这一方法被证明是增强BaHfO3质子导电性能的有效途径。这些发现为通过A位缺陷引入优化质子导电性能提供了新策略，并为开发新型高效SOFC电解质材料奠定了基础。

该工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、陕西省重点研发计划等经费的支持。

原文详情

Peng Feng, Hang Ma, Kuan Yang, Yingjie Lv, Ying Liang*, Tianxing Ma, Jiajun Linghu*, and Zhi-Peng Li*, In-depth investigation of conduction mechanism of defect-induced proton-conducting electrolytes BaHfO3. https://doi.org/10.1103/rfs5-bnwt

原文链接

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/rfs5-bnwt

本文内容来源于双碳科学与新能源技术团队等公开信息，“新能源技术与装备”整理，责任编辑：胡静，审核人：李峥