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燃料電池是國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的一個重點(diǎn)領(lǐng)域。電解質(zhì)是燃料電池的核心組成部分，其離子電導(dǎo)率的性能決定了燃料電池性能的優(yōu)劣，目前制約燃料電池性能開發(fā)與應(yīng)用的瓶頸是較低的離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)。

固體氧化物燃料電池（SOFC）的電解質(zhì)的發(fā)展歷經(jīng)百年，至今沒有可以替代其釔穩(wěn)定二氧化鋯(YSZ)氧離子傳導(dǎo)電解質(zhì)材料,其氧離子電導(dǎo)率在約1000°C才達(dá)到高性能SOFC電導(dǎo)率要求的0.1 S/cm。為了解決這個挑戰(zhàn)，諾獎獲得者古迪納夫在2000年Nature發(fā)文提出要設(shè)計(jì)氧離子導(dǎo)體，其方法是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)離子摻雜方法，即通過低價陽離子取代高價陽離子，例如Y3+摻雜結(jié)構(gòu)Zr4+，形成氧空位，進(jìn)而產(chǎn)生氧離子電導(dǎo)率。但是，結(jié)構(gòu)摻雜沒有解決SOFC電解質(zhì)的挑戰(zhàn)。阻礙了燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程。

朱斌教授等人采用完全不同于傳統(tǒng)離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)摻雜的方法，構(gòu)建半導(dǎo)體材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過利用半導(dǎo)體異質(zhì)界面電子態(tài)/金屬態(tài)特性把質(zhì)子局域于異質(zhì)界面，設(shè)計(jì)和構(gòu)造具有最低遷移勢壘的超質(zhì)子高速通道；在燃料電池中，質(zhì)子經(jīng)電化學(xué)嵌入到異質(zhì)材料界面，被帶正電的氧化鈰表面排斥到鈷酸鈉表面，但同時受到正電鈉離子的排擠不能進(jìn)入鈷酸鈉內(nèi)部，因而局域于兩者材料的界面空間，從而實(shí)現(xiàn)在最低勢壘的層間連續(xù)快速遷移。實(shí)驗(yàn)成功地驗(yàn)證了理論和計(jì)算結(jié)果，獲得了極其優(yōu)異的質(zhì)子電導(dǎo)率（較傳統(tǒng)釔穩(wěn)定二氧化鋯電解質(zhì)材料的電導(dǎo)率提升了幾個數(shù)量級），實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)質(zhì)子陶瓷燃料電池示范（如圖）。

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和場誘導(dǎo)加速離子遷移是一個全新的科學(xué)機(jī)制，在大量的研究基礎(chǔ)上，正在形成一個新的學(xué)科和方法論：半導(dǎo)體離子學(xué)-研究半導(dǎo)體材料的離子輸運(yùn)規(guī)律和應(yīng)用的新興前沿學(xué)科（朱斌教授提出和帶領(lǐng)的研究）。對其全面和深入的研究必然帶來能源領(lǐng)域新的材料和技術(shù)的突破，具有普適的指導(dǎo)意義。

這項(xiàng)工作為科學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)良質(zhì)子傳輸材料提供了一個非常有效的策略，為質(zhì)子限域傳輸和可控/可調(diào)提供了科學(xué)方法，大大加速商業(yè)化進(jìn)程。該成果將促進(jìn)新一代燃料電池研究和發(fā)展，對發(fā)展新能源技術(shù)具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價值。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、東南大學(xué)高層次人才引進(jìn)計(jì)劃資助。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/369/6500/184?utm_campaign=toc_sci-mag_2020-07-09&et_rid=99219654&et_cid=3401489