韩东麟教授，Advanced Functional Materials 综述文章：质子陶瓷燃料电池从电解质和电极材料到大尺寸应用

第一作者：郭世行

通讯作者：韩东麟*

单位：苏州大学

与传统的固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池相比，质子陶瓷燃料电池是一种以质子导电陶瓷为电解质的新型燃料电池，在中温区间 (400-700℃) 工作，可以使用低价的催化剂和结构材料来降低成本。在近几十年来，用于质子陶瓷燃料电池的电解质和电极材料、以及大面积电池等方面取得了重大进展，推进其从实验室走向未来的实际应用。

受体掺杂的BaZrO₃具有较高的体质子导电性和化学稳定性，是最有前途的质子陶瓷燃料电池的电解质候选材料。高离子电导率 (σion) 和高离子迁移数 (tion) 是优良电解质的两个重要电化学指标。为了提高质子的导电性，主要的缺陷化学策略是在钙钛矿结构中引入受体掺杂剂。通过对掺杂剂的筛选，如图1(a) 所示，发现Y、Ho、Er、Tm和Yb在BaZrO₃ 的Zr位点掺杂有较高水平的质子电导率。对BaZr_1-xY_xO_3-δ体系中不同Y掺杂浓度对总电导率和离子迁移数影响进行研究时，如图1（b，c），发现x=0.2时，该体系有最高的总电导率和离子迁移数。

高晶界电阻是导致受体掺杂的BaZrO₃电解质低质子电导率的一个问题，通常认为空间电荷区是其产生的原因。在空间电荷层模型中，一个带正电荷晶界核心被两个相邻的空间电荷层夹在中间，这两个空间电荷层的质子浓度和氧空位都降低了，导致晶界处的质子电导率较低。俘获效应也是抑制质子导电氧化物陶瓷中质子扩散的关键因素，特别是在低温下。捕获效应可以简单解释为带负电荷的固定掺杂物 (如，) 和带正电的缺陷 (如，, ) 的缔合作用阻碍了质子的迁移。Yamazaki等人研究了 BaZr_0.8Y_0.2O_3-δ (BZY20) 中质子的捕获效应，假设质子要么是自由的，要么是被捕获的。然而，实际上BZY20的局部晶体结构中存在几种不同的稳定位点和质子缔合模式。Toyoura等人基于微推弹性带 (NEB) 方法以第一性原理的方式评估了BZY系统中的能量分布，如图2(a-d)。Draber等人通过密度泛函理论(DFT)计算和KMC模拟，研究了BZY中平均质子迁移率与掺杂剂浓度之间的相关性，模拟了不同的一维(1D)、二维和三维Y超结构，如图2(e-g) 所示。

在质子陶瓷燃料电池中，氧电极承担着能耗的主要部分，发展合适的氧电极对于质子陶瓷氧电极的发展只至关重要。对于氧电极的要求是需要具备足够的质子电导率，电子-空穴电导率以及表面催化活性，其中以钙钛矿氧化物的单相氧电极为主，而单相氧电极要满足理想氧电极的全部需求是相对困难的，近些年，多相氧电极的出现丰富了质子陶瓷燃料电池氧电极的大家庭，多相体系的协同作用极大地提高了氧电极的电化学活性。

除了探索未知的科学兴趣之外，研究质子导体的最终目标是实现它们的应用。制造大尺寸电池非常具有挑战性，但幸运的是，在过去十年中取得了重大进展。然而，高性能的大尺寸质子陶瓷燃料电池除了需要电解质和电极材料具有优异的个体性能以外，而且需要彼此之间具有良好的兼容性，还需要解决电池放大制备的工艺问题和长期运行的挑战，这为未来的研究提供了许多有趣而重要的课题。

From Electrolyte and Electrode Materials to Large-Area Protonic Ceramic Fuel Cells: A Review

韩东麟教授简介：苏州大学能源学院特聘教授。本科、硕士毕业于清华大学机械工程系，2011年9月毕业于日本京都大学材料科学与工程系，获工学博士学位。先后担任京都大学材料科学与工程系特定研究员（2011年9月~2014年3月）、特定助教（2014年4月~2015年3月）、副教授（2015年4月~2019年9月）；2019年9月入职苏州大学能源学院，任特聘教授。专长于高温导电固体氧化物领域的研究，对质子导电陶瓷材料有着深入的研究经历。主持国家自然科学基金面上项目、江苏省自然科学基金面上项目、江苏省高等学校基础科学（自然科学）研究重大项目、苏州市前瞻性应用研究项目等；在日本工作期间曾主持日本学术振兴机构（JSPS）若手科研费项目、池谷财团和丸文财团等日本企业财团助成金项目多项，并参与NEDO、JSPS等项目多项。现任Journal of the American Ceramic Society编委，在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Journal of Materials Chemistry A等期刊上发表论文60余篇。

郭世行现为苏州大学能源学院博士研究生，主要研究方向为质子陶瓷燃料电池的氧电极和质子陶瓷电解质材料。