地大创新研究成果破解燃料电池研发中的关键难题
- 发布时间：2020-09-28 16:56
地大创新研究成果破解燃料电池研发中的关键难题
7月10日，世界著名期刊《科学》（Science），刊发学术论文《电场诱导异质界面金属态构建超质子传输》。中国地质大学（武汉）材料与化学学院吴艳副教授为第一作者，朱斌教授和宋怀兵副研究员为共同通讯作者。这是我国科技工作者在能源领域取得的又一重大原创性研究成果。
燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电的第四种发电技术。其洁净、高效、无污染的特点越来越引起关注。燃料电池技术成为国家能源发展战略的一个重点领域，高离子电导率的电解质开发，是解决目前燃料电池应用的关键。
长期以来，提高电解质离子电导率的方法，是通过低价阳离子取代高价阳离子，如掺杂三价铱离子取代结构的四价锆离子，从而产生氧空位，进而提高了氧离子电导率。但是结构掺杂的方法，并没有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。
中国地质大学（武汉）燃料电池创新研究团队，一直致力于低温、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。
设计和构造具有最低迁移势垒的超质子高速通道（A,B）；获得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约3个数量级（C）;实现了先进燃料电池示范，在520摄氏度，输出超过1000毫瓦/平方厘米的功率密度（D）。
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。本研究如同给质子修建高速公路，即利用半导体异质界面场诱导金属态，助推超质子实现又快又好地“跑起来”，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（如上图）。
半导体异质结构和场诱导加速离子迁移，是能源科学领域具有挑战性的研究课题，该研究成果为优良质子传输材料和应用，提供了创新思路，为质子限域传输提供了科学方法，为燃料电池研发应用插上了翅膀。该成果将促进新一代燃料电池研究和发展，对发展能源新材料和新技术具有重要科学意义和应用价值。该研究得到了国家自然科学基金委、中国地质大学（武汉）等多方面的支持。
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