东京工业大学为下一代燃料电池解决质子传导钙钛矿问题

盖世汽车讯 东京工业大学（Tokyo Institute of Technology）的科学家报告称，作为一种新开发的具有大量内在氧空位的钙钛矿，BaSc0.8W0.2O2.8在低温和中温下实现了高质子传导。

图片来源：东京工业大学

通过大分子W6+的施主掺杂，该材料可以吸收更多的水来增加其质子浓度，并通过掺杂剂和质子之间的静电排斥减少质子的捕获。这些发现可以为合理设计用于质子陶瓷燃料电池（PCFC）和质子陶瓷电池（PCEC）的新型钙钛矿奠定基础。

随着全球致力于发展清洁能源技术，燃料电池可能很快会成为将以氢或其他燃料形式储存的化学能转化为电能的必不可少的工具。在正在积极研究的各种类型的燃料电池中，使用固体电解质而非液体电解质的燃料电池具有固有的安全性和稳定性优势。

质子陶瓷燃料电池（PCFC）尤其受到科学家的关注。这些电池不是通过氧化物离子（O2−）传导，而是通过价数较小的轻质子（H+）传导。PCFC的一个关键特性是它们能够在50-500 °C范围内的低温和中温下工作。然而，迄今为止报道的基于钙钛矿电解质的PCFC在低温和中温下的质子传导率较低。

据外媒报道，在最近的一项研究中，东京工业大学的Masamoto Yashima教授领导的研究小组与高能加速器研究组织（High Energy Accelerator Research Organization，KEK）合作，着手解决钙钛矿基质子导体的这一局限性。相关研究成果已发表于期刊《Journal of Materials Chemistry A》。

但为什么传统钙钛矿型质子导体的电导率如此之低？“传统质子导体的一个主要问题是一种称为质子捕获的现象，其中质子通过掺杂剂和质子之间的静电吸引力被受体掺杂剂捕获，”Yashima解释说。“这种质子导体的另一个主要问题是由于氧空位量少导致质子浓度低。”

为了解决这些问题，研究人员开发了一种高度缺氧的钙钛矿，即掺杂有W6+阳离子的BaScO2.5，或BaSc0.8W0.2O2.8。由于其大量的氧空位，这种材料的质子浓度高于其他质子传导钙钛矿。然而，由于质子跳跃发生在氧原子之间，氧空位会降低而不是提高质子传导率。

这个问题通过钙钛矿的完全水合得到解决，将其转化为BaSc0.8W0.2O3H0.4。由于W6+掺杂剂的尺寸较大，钙钛矿具有更大的晶格体积，这意味着它可以比掺杂其他阳离子（如小Mo6+）的钙钛矿吸收更多的水分子。高吸水性通过进一步增加质子浓度促进高质子传导率。

至于质子捕获，W6+掺杂剂的高正电荷导致与同样带正电荷的质子的更强排斥力。这种效应通过从头算分子动力学仿真得到证实，而这种仿真揭示了质子在穿过材料时在Sc阳离子附近的迁移路径。排斥力表明W6+掺杂剂对质子的捕获减少，从而实现低温和中温下的高质子电导率。

总之，这项研究提供的见解可以帮助建立质子传导钙钛矿的基本设计原理。Yashima表示：“通过掺杂大量供体掺杂剂，钙钛矿具有无序的固有氧空位和完全水合，从而实现钙钛矿的稳定，这可能是实现下一代质子导体的有效策略。”