AEM：重钪掺杂多晶锆酸钡在中温下实现快速稳定的质子传导

兔兔

2020-05-28

近年来，燃料电池和电解槽的环境效益已得到越来越多的认可。原则上，可以在中温（300–450 °C）下运行的燃料电池和电解槽既不需要通常用于聚合物电解质膜系统的贵金属催化剂，也不需要用于高温固体氧化物燃料电池（SOFC）的昂贵耐热合金。这些装置需要具有高离子电导率的电解质，通常超过0.01 S cm⁻¹，并且具有高化学稳定性。有鉴于此，日本九州大学Yoshihiro Yamazaki等人在60 at% Sc掺杂的锆酸钡多晶中发现了快速而稳定的质子传导，在396 °C下200 h内的总电导率为0.01 S cm⁻¹。

本文要点：

1）研究人员开发了一种稳定的质子传导多晶氧化物，在396至534 °C的温度范围内，水分压为0.02 atm时，其总质子电导率高达0.01 S cm⁻¹。Sc在锆酸钡中的重掺杂是获得高总电导率和化学稳定性的关键。锆酸钡中的重Sc掺杂会同时提高质子浓度、质子扩散系数、比晶界电导率和晶粒生长，从而可以有效克服常规材料中快速离子传导与化学稳定性之间的权衡关系。

2）使用原位X射线衍射在高度浓缩和加湿的CO₂气流下进行的加速稳定性测试表明，在400 °C条件下，钙钛矿相能够在0.98 atm的CO₂下稳定240 h。这些结果表明，重钪掺杂多晶锆酸钡作为一种在中等温度下运行的固态电化学装置中的电解质是很有希望的。

Junji Hyodo, et al. Fast and Stable Proton Conduction in Heavily Scandium-Doped Polycrystalline Barium Zirconate at Intermediate Temperatures. Adv. Energy Mater. 2020, 2000213.

DOI: 10.1002/aenm.202000213.

https://doi.org/10.1002/aenm.202000213