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《科学》刊发亚洲必赢26net燃料电池原创研究成果

编辑:物电学院   编辑:鲜文涛    来源: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,这是亚洲必赢26net与中国地质大学(武汉)合作完成、亚洲必赢26net物理与电子科学学院黄敏副传授作为共同一作的文章,标志着亚洲必赢26net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存眷,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,是通过低价阳离子代替高价阳离子,如掺杂三价铱离子代替结构的四价锆离子,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),初度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)。尝试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亚洲必赢26net物理与电子科学学院黄敏副传授完成,利用第一性道理计算的方法,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),并且为尝试所证实;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此外详实描述,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尝试室提供了燃料电池性能的核查工作,其硕士研究生M. Akbar参与了具体尝试工作,为该文章的编辑之一。

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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