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《科学》刊发德甲积分榜燃料电池原创研究成果

作者:物电学院  编辑:鲜文涛  来源:德甲积分榜物电学院   发布时间:2020/07/10

7月10日国际著名期刊《科学》(Science刊发题为“Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure”(《电场诱导异质界面金属态构建超质子传输)的原创性科研论文,这是德甲积分榜与中国地质大学(武汉)合作完成、德甲积分榜物理与电子科学学院黄敏副教授作为共同一作的文章,标志着德甲积分榜在燃料电池领域取得突破性研究进展。

图1 论文标题及基本情况

燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术,因其洁净、高效、无污染等特点而受到越来越广泛的关注,是国家能源发展战略的一个重点领域。燃料电池的核心组成部分是电解质,其离子电导率决定了燃料电池的优劣,目前制约燃料电池性能开发与应用的瓶颈是电解质离子电导率太低。

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。但是这种结构掺杂的方法,并不能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。

不同于传统离子导体结构掺杂的方法,本研究构建了由半导体材料钴酸钠和氧化铈组成的的异质结(NaxCoO2/CeO2),首次通过利用半导体异质结界面电子态/金属态特性把质子局域于异质结界面,设计和构造出具有最低迁移势垒的超质子高速通道(如图1所示)。实验成功地验证了理论和计算结果,获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材料的电导率提升了3个数量级),实现了先进质子陶瓷燃料电池示范。

图2 NaxCoO2/CeO2异质结的设计思路

本研究的理论计算工作由德甲积分榜物理与电子科学学院黄敏副教授完成,利用第一性原理计算的方法,对NaxCoO2/CeO2异质结电子结构进行了系统的计算,得出了异质结界面具有金属态的特性这一结论(如图2所示),并且为实验所证实;对质子在界面的迁移初态、中间态和终态这三个状态给出了原子级别的详实描述,找出了质子在场诱导的金属态界面的高速迁移通道(如图2所示)。此外,物理与电子科学学院汪宝元实验室提供了燃料电池性能的核查工作,其硕士研究生M. Akbar参与了具体实验工作,为该文章的作者之一。

图3 NaxCoO2/CeO2异质结界面界面的金属特性(A,B,C)以及质子在NCO/CeO2异质结构的界面迁移过程(D,E)。

本工作为科学设计优良质子传输材料提供了一个非常有效的策略,为质子限域传输和可控可调提供了科学方法,为应用插上了翅膀。该成果将促进新一代燃料电池研究和发展,对发展新能源技术具有重要科学意义和应用价值。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/369/6500/184

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