在高浓度钪的作用下，锡酸钡和钛酸钡中质子传输通道形成。图片来源：日本九州大学
科技日报北京8月11日电 （记者张佳欣）固体氧化物燃料电池（SOFC）因高效率和长寿命而备受关注，但其运行温度通常高达700—800℃，需使用昂贵的耐高温材料，这制约了其广泛应用。据最新一期《自然·材料》杂志报道，日本九州大学研究团队研制出可在300℃中温条件下高效运行的新型SOFC，有望推动低成本、低温SOFC的开发，并可大幅加快其商业化进程。
SOFC采用陶瓷作为电解质，运行温度高，适合固定式发电。如果将陶瓷电解质的运行温度降低，制造和维护成本也能降低。研究发现，电解质由不同原子组合并按晶格结构排列，质子需在这些原子间穿行。过去的研究尝试通过加入化学掺杂剂来提高质子传输速度。然而，这一方法虽然能增加质子数量，却常导致晶格堵塞，使质子运动变慢。新研究旨在找到既能容纳大量质子又能让其自由运动的氧化物晶体。
研究团队最终发现，将高浓度的钪掺杂到锡酸钡和钛酸钡中，可在300℃条件下实现超过0.01S/cm的质子电导率，这一数值与传统SOFC电解质在高温运行时的性能相当。
结构分析与分子动力学模拟显示，钪原子会将周围的氧原子连接成“ScO6高速通道”，使质子以极低的迁移势垒快速通过。这条通道宽阔且振动柔和，避免了高掺杂氧化物中常见的质子陷阱。晶格动力学数据还表明，锡酸钡和钛酸钡的结构比传统SOFC材料更“柔软”，可吸收更多钪，从而进一步提升质子传输性能。
这一成果解决了掺杂量与离子传输效率难以兼顾的长期难题，为开发低成本、低温SOFC提供了新路径。研究人员表示，这一原理不仅适用于燃料电池，还可推广到低温电解器、氢气泵以及将二氧化碳转化为有价值化学品的反应器等，有望为氢能普及和减碳带来更广泛影响。
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