AEM：重钪掺杂多晶锆酸钡在300-450°C温区的快速稳定传导- 大数跨境

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AEM：重钪掺杂多晶锆酸钡在300-450°C温区的快速稳定传导

科学材料站

2020-06-07

导读：在本文，作者证明了在60 at%钪掺杂的锆酸钡多晶体中，总电导率为0.01s cm-1，在396℃下持续200h的快速稳定的质子传导。锆酸钡中Sc的重掺杂同时提高了质子浓度、体质子扩散率、晶界电导率和

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作者：Yoshihiro Yamazaki

单位：日本九州大学

导读

近年来，燃料电池和电解槽的环境效益越来越受到重视。原则上，可在中温（300-450°C）下运行的燃料电池和电解槽既不需要通常用于聚合物电解质膜系统的贵金属催化剂，也不需要用于高温固体氧化物电化学电池的植物平衡部件的昂贵耐热合金。这些装置需要具有高离子导电性（通常大于0.01 S cm-1）和高化学稳定性的电解质。然而，到目前为止，在化学不稳定材料如CsH2PO4、掺杂SnP2O7、BaH2和LaH3-2xOx中已经发现了高离子导电性。

针对上述现象，日本九州大学的Yoshihiro Yamazaki等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Fast and Stable Proton Conduction in Heavily Scandium Doped Polycrystalline Barium Zirconate at Intermediate Temperatures”的文章。

在本文，作者证明了在60 at%钪掺杂的锆酸钡多晶体中，总电导率为0.01s cm-1，在396℃下持续200h的快速稳定的质子传导。锆酸钡中Sc的重掺杂同时提高了质子浓度、体质子扩散率、晶界电导率和晶粒生长。用原位X射线衍射法在高浓度和加湿的CO2流中进行的加速稳定性试验表明，在400℃下，钙钛矿相在0.98atm的CO2中稳定在240h以上。这些结果表明，作为一种电解液，在中温固态电化学器件中有很大的应用前景。

背景简介

传统材料在高温下的缺陷

传统材料在350到450°C之间的高导电温度范围或高化学稳定性方面存在挑战。CsH2PO4固体酸在230到254°C的温度范围内的质子导电率超过0.01 S cm-1。然而，此类材料在这些温度以上分解。掺杂的SnP2O7显示质子导电率超过0.1s cm-1，温度略高达300°C。

然而，这种材料的导电率强烈依赖于合成工艺，使其再现性较低。氢化物离子导体BaH2和LaH3−2xOx是另一类显示这种导电性的材料，但是这些材料的高反应性使得它们不适合作为燃料电池和电解槽的电解质。在稳定氧化物类别中，在450°C下，20%钇掺杂锆酸钡的总质子导电率为0.01 S cm-1。

原则上，通过获得更大的质子浓度、体质子扩散率、比晶界导电率值，总质子导电率可能进一步增加，以及较低的晶界密度。锆酸钡中Y的重掺杂提高了质子浓度，但降低了电导率，最大值约为20%。最近的DFT动力学Monte Carlo模拟，相反地预测了40 at%Y掺杂的全水化样品的体质子电导率的增强。选择了质子掺杂量较低的掺杂剂结合能将增强体质子扩散率。然而，迄今为止，由于锆钛酸钡的难熔性，形成了高密度的电阻晶界，没有掺杂剂导致比Y大幅度增强。晶粒生长不足，在300–450°C的中间温度下，没有任何材料达到所需的性能。

核心内容

在本文作者开发了一种稳定的质子导电多晶氧化物，在0.02 atm的水分压下，在396到534℃的温度范围内，其总质子导电率为0.01 S cm-1。在锆酸钡中掺入Sc是获得高导电性和化学稳定性的关键。它同时提高了质子浓度、质子扩散率、比晶界电导率和晶粒长大，克服了传统材料中快速离子传导与化学稳定性之间的权衡关系。虽然电化学器件的发展还没有被探索，但这项研究为在中温下工作的固态电化学器件的电解液提供了一个很有前途的候选方案。