研究亮点:
1.通过实验和理论计算,构造了具有电场诱导金属态的异质界面,实现超质子传输通道。
2.获得了优异的质子电导率0.2-0.3 S cm-1(500°C以上)和先进PCFC示范 (1000 mW cm-2, 520°C)。
研究背景
燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电的第四种发电技术。其洁净、高效、无污染特点越来越引起关注。燃料电池技术成为国家能源发展战略的一个重点领域,高离子电导率的电解质开发,是解决目前燃料电池应用的关键。
长期以来,提高电解质离子电导率的方法,是通过低价阳离子取代高价阳离子,如掺杂三价铱离子取代结构的四价锆离子,从而产生氧空位,进而提高了氧离子电导率。但是结构掺杂的方法,并没有有效解决燃料电池电解质面临的百年挑战,很大程度上阻碍了燃料电池的商业化进程。
拟解决的关键问题
通过半导体异质界面电子态特性,把质子局域于异质界面,设计和构造具有最低迁移势垒的质子通道。
成果简介
在传统质子传导材料里,质子需要克服巨大的能垒,通过氧空位跳跃前行。有鉴于此,中国地质大学(武汉)宋怀兵副研究员、朱斌教授等人利用半导体异质界面场诱导金属态,助推超质子实现又快又好地“跑起来”,从而获得优异的电导率。这与传统电解质材料电导率相比,提升了3个数量级,并且实现了先进质子陶瓷燃料电池的示范。
图1. 异质结构设计的基本思想。
要点1:半导体异质界面构筑
基于半导体离子学设计、构建半导体材料的异质结构,利用p-型半导体NaxCoO2(NCO)和n-型CeO2的异质界面和能带重构过程的场诱导电子态/金属态特性把质子局域于异质界面,设计和构造具有最低迁移势垒的超质子高速通道。
NaxCoO2(NCO)/CeO2异质材料结构,开尔文探针力显微镜(KPFM)表征局域电场,太阳能电池模型验证界面电势,原位拉曼论证质子迁移行为。
图2. 实验测定的异质结构和局域电场。
要点2:PCFC示范
实验得了极其优异的质子电导率(较传统钇稳定二氧化锆电解质YSZ材料的电导率提升了约3个数量级,实现了先进燃料电池示范,在520°,输出超过1000毫瓦/平方厘米的功率密度。
图3. PCFC的示范结果。
要点3:异质界面的质子迁移过程
在燃料电池中,质子经电化学嵌入到异