（圖片來源：上海交通大學）

 

       據(jù)外媒報道，上海交通大學密西根學院（UM-SJTU JI）陳倩櫟教授及其合作者提出一種新設計原理，將具有高質子電導率的鈣鈦礦材料，用作固態(tài)氧化物燃料電池的電解質材料。

 

       固態(tài)氧化物燃料電池是一種電化學裝置，將氫氣、天然氣等燃料，從化學能直接轉化為電能。同時，具有能量轉換效率高、清潔環(huán)保等優(yōu)點。然而，目前，固態(tài)氧化物燃料電池的工作溫度普遍較高，約為700-1000°C，這對電池組件材料的耐高溫性提出了嚴格的要求。

 

       使用質子導電陶瓷，作為燃料電池的電解質材料，有望將運行溫度降至450-700°C，大大降低生產成本。然而，其質子導電率需要進一步提高，以實現(xiàn)此類中等溫度燃料電池的商業(yè)化。研究人員認為，可以通過調整晶格振動頻率，實現(xiàn)理想的等動力學溫度，從而提高質子在低溫下的質子導電率。

 

       質子擴散需要克服被稱做活化能的能量勢壘。總的來說，為了提高質子導電率，應該降低活化能。研究人員發(fā)現(xiàn)，質子導電率遵循凝聚態(tài)原子擴散動力學的Meyer-Neldel規(guī)則。當活化能降低時，電導率公式中的指前因子相應減小，從而阻止提高電導率。研究人員進一步發(fā)現(xiàn)，當改變材料結構以引起活化能變化時，不同活化能的電導率曲線在一個等動力溫度下相交，而質子電導率與活化能無關，只與材料的固有性質有關。研究人員從等動力溫度與材料結構的關系出發(fā)，提出通過調整材料結構來實現(xiàn)理想的等動力溫度，可以很好地提高低溫下的質子電導率。

 

       研究人員表示：“作為中溫陶瓷電化學電池的質子傳導電解質，鈣鈦礦型金屬氧化物已經(jīng)引起廣泛關注，例如Y摻雜BaMO 3（M = Zr/Ce）。在較低溫度下提高質子傳導率，需要全面了解質子傳導機制。通過施加高壓或改變Y摻雜BaMO 3中的Ce含量，可以發(fā)現(xiàn)其質子電導率符合Meyer-Neldel規(guī)則（MNR）。在阿瑞尼氏圖（Arrhenius plot）中，電導率在等動力溫度下相交，其中質子電導率與活化能無關。考慮到等動力溫度和晶格振動頻率之間的關系，在具有硬晶格、由輕原子和小M-O鍵長組成的材料中，可以觀察到高等動力溫度。基于對MNR的考慮，建議調整晶格振動頻率，以實現(xiàn)所需的等動力溫度，從而明顯提高低溫下的質子電導率。”

 

       通過揭示晶格振動與質子傳導率之間的關系，研究人員提出了具有高質子傳導率的新型鈣鈦礦材料的設計原則。