来源：互联网
2023-04-21 23:20:19
【资料图】
固体氧化物燃料电池 (SOFC) 是解决迫在眉睫的全球能源危机这一当代问题的一种很有前途的解决方案。SOFC 具有高效率、低排放和低运营成本等特点，是实现无化石燃料社会的理想能源。
采用氧化钇稳定氧化锆 (YSZ) 电解质的传统 SOFC 具有较高的工作温度 (700–1000°C)，并且它们的广泛采用受到降解问题和高成本的限制。因此，需要寻找在低温(100-300°C)下表现出高电导率和稳定性的新材料。虽然一些含铋 (Bi) 的材料通过传统的空位扩散机制表现出高氧化物离子电导率，但它们在还原气氛下不是很稳定。作为替代方案，涉及间隙和晶格氧化物离子的碰撞运动的间隙迁移机制引起了广泛关注。然而，它们很少在含铋材料中观察到。
由东京工业大学(Tokyo Tech)的 Masatomo Yashima 教授领导的日本研究团队齐心协力寻找解决这些问题的方法。在他们最近发表在Advanced Functional Materials上的突破中，该团队报告了一种新的含 Bi 化合物 LaBi 1.9 Te 0.1 O 4.05 Cl，其中氧化物离子通过间隙机制迁移。该团队证明 LaBi 1.9 Te 0.1 O 4.05 Cl 表现出高稳定性和高氧化物离子电导率，在低温(低于 201 o C)下甚至优于最好的氧化物离子导体。
当被问及团队如何发现 LaBi 1.9 Te 0.1 O 4.05 Cl 时，Yashima 教授解释说：“大多数已知的含 Bi 材料通过传统的空位扩散机制表现出高氧化物离子电导率。替代机制，间隙扩散，在这些材料中很少见。因此，我们专门寻找具有间隙氧位点的含铋材料，以实现间隙扩散。”
间隙氧位置是指氧化物离子部分占据的晶体结构内的空白空间。Yashima 教授的小组选择了一种含铋的 Sillén 氯氧化物 LaBi 2 O 4 Cl，它具有三重类萤石层，以确保存在这种间隙氧位点。然后，他们在 Sillén 相 LaBi 2 O 4 Cl 中用高价掺杂剂碲 (Te) 阳离子 Te 4+部分取代 Bi 3+阳离子，以增加 LaBi 2–中间隙氧原子 ( x /2)的数量x Te x O 4+ x /2Cl。然后选择化学成分 LaBi 1.9 Te 0.1 O 4.05 Cl(LaBi 1– x Te x O 4+ x /2 Cl 中的x = 0.1 )进行详细的实验和计算研究，因为 LaBi 1.9 Te 0.1 O的体积电导率4.05 Cl 在所有其他成分中最高，即 LaBi 2– x Te x O 4+ x /2 Cl (0 ≤ x ≤ 0.2)。
该团队发现 LaBi 1.9 Te 0.1 O 4.05 Cl 在 400°C 下在 10 -25至 0.2 atm的宽氧分压范围内表现出高化学和电稳定性，以及在 CO 2、湿 H 2中的高化学稳定性在 N 2和具有自然湿度的空气中。此外，LaBi 1.9 Te 0.1 O 4.05 Cl在702℃下表现出2.0×10 -2 S cm -1的高氧化物离子电导率。该材料的体积电导率明显高于最好的氧化物离子导体，如 Bi 2 V 0.9 Cu在 96–201°C 之间的温度下为0.1 O 5.35。
为了阐明高氧化物离子传导的潜在机制，该团队进行了中子衍射实验、从头算分子动力学模拟和 DFT 计算。结果表明，极高的氧化物离子传导可通过氧化物离子通过晶格和间隙位点的间隙迁移来解释，这在含铋材料中很少发生。
LaBi 1.9 Te 0.1 O 4.05 Cl 的高氧化物离子电导率以及高化学和电稳定性的发现，以及高电导率背后的独特机制将为进一步研究含铋化合物和 Sillén 相打开大门，并最终低温下的高性能 SOFC 电解质。“研究文献中有关于 Sillén 相的光催化和发光的研究。在我们的研究中，我们现在已经证明，含 Sillén Bi 的氯氧化物也可以作为 SOFC 的有前途的电解质，并可以为燃料电池革命做出贡献，”乐观的 Yashima 教授总结道。
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