中国研究人员提出新的质子传导电解质设计原理 可用于中温固态氧化物燃料电池

据国外媒体报道，美国密西根大学(UM-Michigan JI)教授陈谦·奎尔库斯和他的合作者提出了一种新的设计原理，使用具有高质子传导性的钙钛矿材料作为固体氧化物燃料电池的电解质材料。

(来源:上海交通大学)

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将氢气、天然气等燃料从化学能直接转化为电能的电化学装置。同时具有能量转换效率高、清洁环保的优点。但目前固体氧化物燃料电池的工作温度普遍较高，约为700-1000℃，这对电池组件的耐高温性能提出了严格的要求。

使用质子传导陶瓷作为燃料电池的电解质材料有望将工作温度降低到450-700℃，从而大大降低生产成本。但是，要实现这种中温燃料电池的商业化，还需要进一步提高其质子传导率。研究人员认为，可以通过调整晶格振动频率来达到理想的等电点温度，从而提高低温下质子的质子传导率。

质子扩散需要克服一个叫做活化能的能量障碍。一般来说，为了提高质子传导率，应该降低活化能。研究人员发现，质子传导率遵循凝聚原子扩散动力学的迈耶-内尔德尔法则。当活化能降低时，电导率公式中的指前因子相应降低，从而阻止了电导率的提高。研究人员进一步发现，当改变材料的结构引起活化能的变化时，不同活化能的电导率曲线在一个等速温度下相交，而质子电导率与活化能无关，只与材料的固有性质有关。基于等动力学温度与材料结构的关系，研究人员提出通过调整材料结构可以达到理想的等动力学温度，从而提高低温下的质子传导率。

研究人员表示:“作为中温陶瓷电化学电池的质子传导电解质，钙钛矿型金属氧化物引起了广泛关注，例如掺Y的BaMO 3(M = Zr/Ce)。要提高低温下的质子传导率，需要全面了解质子传导机制。通过施加高电压或改变掺钇BaMO 3中Ce的含量，可以发现它的质子传导率符合迈耶-内尔德尔定律(MNR)。在阿伦尼乌斯图中，电导率在等速温度下相交，质子电导率与活化能无关。考虑到等动力学温度与晶格振动频率的关系，在硬晶格、由轻原子和小M-O键长组成的材料中可以观察到较高的动力学温度。基于MNR的考虑，建议调整晶格振动频率以达到所需的等速温度，从而明显提高低温下的质子电导率。”

研究人员通过揭示晶格振动与质子电导率的关系，提出了新型高质子电导率钙钛矿材料的设计原则。据国外媒体报道，美国密西根大学(UM-Michigan JI)教授陈谦·奎尔库斯和他的合作者提出了一种新的设计原理，使用具有高质子传导性的钙钛矿材料作为固体氧化物燃料电池的电解质材料。

(来源:上海交通大学)

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将氢气、天然气等燃料从化学能直接转化为电能的电化学装置。同时具有能量转换效率高、清洁环保的优点。但目前固体氧化物燃料电池的工作温度普遍较高，约为700-1000℃，这对电池组件的耐高温性能提出了严格的要求。

使用质子传导陶瓷作为燃料电池的电解质材料有望将工作温度降低到450-700℃，从而大大降低生产成本。然而，它的质子传导率需要进一步提高……o实现这种中温燃料电池的商业化。研究人员认为，可以通过调整晶格振动频率来达到理想的等电点温度，从而提高低温下质子的质子传导率。

质子扩散需要克服一个叫做活化能的能量障碍。一般来说，为了提高质子传导率，应该降低活化能。研究人员发现，质子传导率遵循凝聚原子扩散动力学的迈耶-内尔德尔法则。当活化能降低时，电导率公式中的指前因子相应降低，从而阻止了电导率的提高。研究人员进一步发现，当改变材料的结构引起活化能的变化时，不同活化能的电导率曲线在一个等速温度下相交，而质子电导率与活化能无关，只与材料的固有性质有关。基于等动力学温度与材料结构之间的关系，研究人员提出通过调整材料结构可以达到理想的等动力学温度，从而提高低温下的质子传导率。

研究人员表示:“作为中温陶瓷电化学电池的质子传导电解质，钙钛矿型金属氧化物引起了广泛关注，例如掺Y的BaMO 3(M = Zr/Ce)。要提高低温下的质子传导率，需要全面了解质子传导机制。通过施加高电压或改变掺钇BaMO 3中Ce的含量，可以发现它的质子传导率符合迈耶-内尔德尔定律(MNR)。在阿伦尼乌斯图中，电导率在等速温度下相交，质子电导率与活化能无关。考虑到等动力学温度与晶格振动频率的关系，在硬晶格、由轻原子和小M-O键长组成的材料中可以观察到较高的动力学温度。基于MNR的考虑，建议调整晶格振动频率以达到所需的等速温度，从而明显提高低温下的质子电导率。”

研究人员通过揭示晶格振动与质子电导率的关系，提出了新型高质子电导率钙钛矿材料的设计原则。

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