近日，我校物理与电子科学学院朱斌教授团队在低温固体氧化物燃料电池电解质方面取得突破性进展，相关研究成果以“Shaping triple-conducting semiconductor BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ into an electrolyte for low-temperature solid oxide fuel cells”为题发表于国际著名期刊Nature Communications（Nature子刊，SCI影响因子12.353）。物电学院青年教师夏晨为论文的第一作者，朱斌教授和汪宝元副教授为共同通讯作者，湖北大学是该论文的第一完成单位和通讯单位。
固体氧化物燃料电池（SOFC）由于具有高转化效率、低污染、燃料多样性等突出优点，近年来已逐渐成为科学研究的热点。然而，其核心部件电解质层通常需要较高的操作温度（800-1200℃），极大地提高了电池的制造和运行成本，导致SOFC商业转化困难。为了降低SOFC的操作温度，需要开发在低温（300-600℃）下具有高离子电导率的新型电解质。近期的研究提出了一种具有质子/氧离子/电子三重导电的质子陶瓷燃料电池阴极BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ(BCFZY)，发现其在低温区间能保持良好的质子/氧离子电导率和氧气还原反应动力学。
为了充分利用BCFZY在低温下的优势并消除其电子电导的负面影响，朱斌教授团队提出了pn异质结构电解质的想法，即通过引入n型半导体ZnO与p型半导体BCFZY构建异质结构复合电解质，利用体异质结促进离子的运输并且阻挡电子的导通，从而实现电解质功能。研究发现，所制备的BCFZY-ZnO电解质具有大量的异相界面，应用于低温SOFC后能够实现理想的开路电压和输出功率，排除了电子的短路问题。通过对交流阻抗谱和极化曲线的分析，研究发现该材料具有优异的混合质子/氧离子电导率（500℃达到0.20 S/cm）。基于对两种半导体在SOFC气氛下导电类型以及能级位置的测试，研究团队从能带理论的角度分析了电解质中体异质结内建电势对离子运输的促进机制以及对电子的阻挡作用。这一研究成功地将离子导电型半导体整合到SOFC的电解质层中，为发展高性能的低温电解质提供了一个全新的思路。该项工作依托于物电学院“铁电压电材料与器件”湖北省重点实验室，得到国家自然科学基金的资助。
项目团队成员
近年来，该团队从半导体物理的视角设计和研究了多种新型低温SOFC，先后在无电解质层燃料电池、肖特基结燃料电池、钙钛矿太阳能电池型燃料电池、天然矿物基燃料电池以及半导体异质结电解质燃料电池等方面取得了系列成果，在新一代半导体物理结合离子电化学的高效清洁能源技术方面形成了特色。该团队至今以湖北大学为第一单位或通讯作者单位，在Nano Energy、Adv. Energy Mater.、Adv. Func. Mater.、ACS Energy Lett.、Nat. Commun.、J.Mater.Chem.A、ACSAppl.Mater. Inter.、J.Power Sources、Appl.Phys.Lett.、Electrochim. Acta等国际影响力学术期刊上发表了SCI论文50余篇，参加国际重要会议作大会特邀报告10余次，有效提升了学校在燃料电池研究领域的国际影响力。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09532-z.pdf
