Nat. Energy 新型室温氢离子导体电解质探索中得到进展

发布时间：2022-12-13 10:03 所属栏目：16 来源：互联网

导读：同提高超导体的超导转变温度和临界电流密度一样，如何降低离子电解质（纯离子导体）的工作温度和提高其离子电导率在能源相关领域具有重要的科学意义和应用价值。本工作创新性地在具有H离子嵌入的有序氧空位通道钙铁石结构（HSrCoO2.5）中，实现了优异的室温

　　同提高超导体的超导转变温度和临界电流密度一样，如何降低离子电解质（纯离子导体）的工作温度和提高其离子电导率在能源相关领域具有重要的科学意义和应用价值。本工作创新性地在具有H离子嵌入的有序氧空位通道钙铁石结构（HSrCoO2.5）中，实现了优异的室温区离子电导特性（~0.1 S/cm），并进一步以该材料作为H离子电解质，成功构建了燃料电池模型器件，在室温区实现了高效能量转化。该工作为氧化物离子导体电解质的设计和探索确立了新策略。

　　研究团队测量了H-SCO的交流阻抗谱，发现其具有典型的离子导体特征，即低频对应线性极化（斜率为~1）和高频对应离子电导（图3a）。通过离子电导与温度的关系曲线（图3b），可以看到H-SCO相比以前研究的H离子或O离子电导电解质，其电导值获得了极大的提高；工作温度也实现了极大的降低，到达室温附近。他们还进一步研究了H离子在不同温度下的离子扩散行为，发现离子扩散系数和离子电导密切相关，标志着离子电导的提升来源于氢离子的扩散行为。为了理清离子电导的物理机理，他们计算了H离子在晶格中的扩散行为，发现H离子在有序氧通道中主要通过氧四面体的弹性变形协助扩散及多离子协同效应进行传输。他们发现H离子的扩散势垒与其它电解质的H离子扩散势垒以及理论结算结果相当，而离子电导的显著提升主要来源于室温区更大量的氢离子参与到输运当中。最终，为了进一步展示H-SCO的低温高离子电导特性，作者对于H-SCO的能源应用进行了探索；他们基于H-SCO为电解质成功进行了燃料电池器件的展示，实现了氢能源的能量转化。这些结果表明H-SCO的优异离子电导特性在实际器件应用中具有重要前景。

　　该成果近日以“Enhanced low-temperature proton conductivity in hydrogen-intercalated brownmillerite oxide”为题发表在Nature Energy上，并在同期刊发了题为“Cool proton conductors”的 News & Views文章推荐该工作。这一工作是该研究组在前期离子调控工作（ Nature546, 124 (2017)；NatureMaterials21, 1246 (2022)等）基础上，在功能氧化物离子调控研究的又一突破。

　　本文共同第一作者为鲁年鹏、张卓、王宇佳和李好博；文章通讯作者为清华大学物理系于浦教授和吴健教授，其中于浦负责了该项目的构思、设计以及实验部分，吴健负责了本文的理论模型部分。清华大学南策文院士、周树云教授、任俊博士、马静教授、张定教授，香港中文大学朱骏宜教授，英国杜伦大学何清教授，北京化工大学吴扬教授以及日本理化学研究所的Yoshinori Tokura教授为本工作提供了重要支持。该工作受到了基础科学中心项目、国家杰出青年基金、科技部基金和北京市自然科学基金等项目资助，同时得到了清华大学低维量子物理国家重点实验室、北京市未来芯片技术高精尖创新中心和清华大学柔性电子技术实验室的支持。鲁年鹏现任中科院物理所特聘研究员，受到了中科院战略先导B项目和中科院基础研究领域青年团队计划的支持。

（编辑：ASP站长网）