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吴艳, 等 材化学院 ,SCIENCE, 10 Jul 2020. Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure

近日,以“半导体异质界面场诱导金属态限域质子传输”(Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure)为题的研究成果,在线刊发于《SCIENCE》期刊上。该论文的第一作者为我校材料与化学学院吴艳副教授,朱斌教授和宋怀兵副研究员为共同通讯作者。

离子导体的发展在电化学能源领域是挑战课题。特别是锂电池/固态电池,燃料电池/固体氧化物燃料电池(SOFC/质子陶瓷燃料电池(PCFC)和电解池等,离子传导电解质扮演着至关重要的角色。例如,SOFC的电解质的发展历经百年,至今没有可以替代其钇稳定二氧化锆(YSZ)氧离子传导电解质材料,其氧离子电导率在约1000°C才达到0.1 S cm-1,以满足SOFC高性能的要求。为了解决这个挑战,诺奖获得者古迪纳夫在2000Nature发文提出要设计氧离子导体,其方法是传统的结构离子掺杂方法,即通过低价阳离子取代高价阳离子,例如Y3+掺杂结构Zr4+,形成氧空位,进而产生氧离子电导率。但是,结构掺杂没有解决SOFC电解质的挑战。阻碍了燃料电池的商业化进程。

研究团队一直致力于新型低温、高性能燃料电池研究,聚焦高质子电导率电解质的开发,历经多年的不懈探索,经过反复试验论证,首次通过半导体异质界面电子态特性,把质子局域于异质界面,设计和构造具有最低迁移势垒的质子通道(图1A)。并进行实验验证在半导体材料异质界面,构造和获得了优异的质子电导率0.2-0.3 S cm-1 (500-520°C)和先进PCFC示范(1000 mW cm-2, 520oC)见图1B、C

1  异质结构设计和局域电场诱导金属态限域质子输运和先进质子陶瓷燃料电池示范。

在传统质子传导材料里,质子需要克服巨大的能垒,通过氧空位跳跃前行;本研究就是给质子如同修建高速公路,即利用半导体异质界面场诱导金属态,助推质子高速运动,从而获得优异的电导率。这与传统电解质材料电导率相比,提升了3个数量级,并且实现了先进质子陶瓷燃料电池的示范通过第一性原理计算,NaxCoO2/CeO2异质结界面具有金属态的特性(如2所示),描述了质子在局域电场诱导的金属态界面的高速迁移路径。

 

2  NaxCoO2/CeO2异质结界面电子特性(ABC)以及质子在NCO/CeO2异质结构的界面迁移过程(DE

半导体异质结构和场诱导的加速离子迁移是一个全新的科学机制,在大量的研究基础上(已经在多个半导体异质结构材料里获得成功)正在形成一个新的学科和方法论:半导体离子学-研究半导体材料的离子输运规律和应用的新兴前沿学科。对其全面和深入的研究必然带来能源领域新的材料和技术的突破,具有普适的指导意义。

这项工作为设计质子传输材料提供了一个非常有效的策略,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,解决了半导体异质界面场诱导金属态限域质子传输破解燃料电池研究中的关键难题。

该研究得到了国家自然科学基金委的资助(项目号:51774259 51772080)。

论文信息:

Title: Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure

Authors:Y. Wu1*, B. Zhu1*, M. Huang*, L. Liu1, Q. Shi, M. Akbar, C. Chen, J. Wei, J. F. Li, L. R. Zheng, J. S. Kim, H. B. Song,

SourceScience10 Jul 2020:Vol. 369, Issue 6500, pp. 184-188

DOI: 10.1126/science.aaz9139

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