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                湖大要聞

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                《科學》刊發湖北大學燃料電池原創研究成果

                作者:物電學院   編輯:鮮文濤    來源:物電學院  發布時間:2020/07/10

                7月10日國際著名期刊《科學》(Science刊發題為“Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure”(《電場誘導異質界面金屬態構建超質子傳輸)的原創性科研論文,這是湖北大學與中國地質大學(武漢)合作完成、湖北大學物理與電子科學學院黃敏副教授作為共同一作的文章,標志著湖北大學在燃料電池領域取得突破性研究進展。

                圖1 論文標題及基本情況

                燃料電池是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術,因其潔凈、高效、無污染等特點而受到越來越廣泛的關注,是國家能源發展戰略的一個重點領域。燃料電池的核心組成部分是電解質,其離子電導率決定了燃料電池的優劣,目前制約燃料電池性能開發與應用的瓶頸是電解質離子電導率太低。

                長期以來,提高電解質離子電導率的方法,是通過低價陽離子取代高價陽離子,如摻雜三價銥離子取代結構的四價鋯離子,從而產生氧空位,進而提高了氧離子電導率。但是這種結構摻雜的方法,并不能有效解決燃料電池電解質面臨的百年挑戰,很大程度上阻礙了燃料電池的商業化進程。

                不同于傳統離子導體結構摻雜的方法,本研究構建了由半導體材料鈷酸鈉和氧化鈰組成的的異質結(NaxCoO2/CeO2),首次通過利用半導體異質結界面電子態/金屬態特性把質子局域于異質結界面,設計和構造出具有最低遷移勢壘的超質子高速通道(如圖1所示)。實驗成功地驗證了理論和計算結果,獲得了極其優異的質子電導率(較傳統釔穩定二氧化鋯電解質材料的電導率提升了3個數量級),實現了先進質子陶瓷燃料電池示范。

                圖2 NaxCoO2/CeO2異質結的設計思路

                本研究的理論計算工作由湖北大學物理與電子科學學院黃敏副教授完成,利用第一性原理計算的方法,對NaxCoO2/CeO2異質結電子結構進行了系統的計算,得出了異質結界面具有金屬態的特性這一結論(如圖2所示),并且為實驗所證實;對質子在界面的遷移初態、中間態和終態這三個狀態給出了原子級別的詳實描述,找出了質子在場誘導的金屬態界面的高速遷移通道(如圖2所示)。此外,物理與電子科學學院汪寶元實驗室提供了燃料電池性能的核查工作,其碩士研究生M. Akbar參與了具體實驗工作,為該文章的作者之一。

                圖3 NaxCoO2/CeO2異質結界面界面的金屬特性(A,B,C)以及質子在NCO/CeO2異質結構的界面遷移過程(D,E)。

                本工作為科學設計優良質子傳輸材料提供了一個非常有效的策略,為質子限域傳輸和可控可調提供了科學方法,為應用插上了翅膀。該成果將促進新一代燃料電池研究和發展,對發展新能源技術具有重要科學意義和應用價值。

                論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/369/6500/184


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