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（圖片來源：上海交通大學(xué)）

 

       據(jù)外媒報(bào)道，上海交通大學(xué)密西根學(xué)院（UM-SJTU JI）陳倩櫟教授及其合作者提出一種新設(shè)計(jì)原理，將具有高質(zhì)子電導(dǎo)率的鈣鈦礦材料，用作固態(tài)氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料。

 

       固態(tài)氧化物燃料電池是一種電化學(xué)裝置，將氫氣、天然氣等燃料，從化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。同時(shí)，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。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(duì)電池組件材料的耐高溫性提出了嚴(yán)格的要求。

 

       使用質(zhì)子導(dǎo)電陶瓷，作為燃料電池的電解質(zhì)材料，有望將運(yùn)行溫度降至450-700°C，大大降低生產(chǎn)成本。然而，其質(zhì)子導(dǎo)電率需要進(jìn)一步提高，以實(shí)現(xiàn)此類中等溫度燃料電池的商業(yè)化。研究人員認(rèn)為，可以通過調(diào)整晶格振動(dòng)頻率，實(shí)現(xiàn)理想的等動(dòng)力學(xué)溫度，從而提高質(zhì)子在低溫下的質(zhì)子導(dǎo)電率。

 

       質(zhì)子擴(kuò)散需要克服被稱做活化能的能量勢壘�？偟膩碚f，為了提高質(zhì)子導(dǎo)電率，應(yīng)該降低活化能。研究人員發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子導(dǎo)電率遵循凝聚態(tài)原子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的Meyer-Neldel規(guī)則。當(dāng)活化能降低時(shí)，電導(dǎo)率公式中的指前因子相應(yīng)減小，從而阻止提高電導(dǎo)率。研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)改變材料結(jié)構(gòu)以引起活化能變化時(shí)，不同活化能的電導(dǎo)率曲線在一個(gè)等動(dòng)力溫度下相交，而質(zhì)子電導(dǎo)率與活化能無關(guān)，只與材料的固有性質(zhì)有關(guān)。研究人員從等動(dòng)力溫度與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系出發(fā)，提出通過調(diào)整材料結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)理想的等動(dòng)力溫度，可以很好地提高低溫下的質(zhì)子電導(dǎo)率。

 

       研究人員表示：“作為中溫陶瓷電化學(xué)電池的質(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)，鈣鈦礦型金屬氧化物已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，例如Y摻雜BaMO 3（M = Zr/Ce）。在較低溫度下提高質(zhì)子傳導(dǎo)率，需要全面了解質(zhì)子傳導(dǎo)機(jī)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(zhì)子電導(dǎo)率符合Meyer-Neldel規(guī)則（MNR）。在阿瑞尼氏圖（Arrhenius plot）中，電導(dǎo)率在等動(dòng)力溫度下相交，其中質(zhì)子電導(dǎo)率與活化能無關(guān)。考慮到等動(dòng)力溫度和晶格振動(dòng)頻率之間的關(guān)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(dòng)力溫度�；�于��(duì)MNR的考慮，建議調(diào)整晶格振動(dòng)頻率，以實(shí)現(xiàn)所需的等動(dòng)力溫度，從而明顯提高低溫下的質(zhì)子電導(dǎo)率。”

 

       通過揭示晶格振動(dòng)與質(zhì)子傳導(dǎo)率之間的關(guān)系，研究人員提出了具有高質(zhì)子傳導(dǎo)率的新型鈣鈦礦材料的設(shè)計(jì)原則。