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【“雙一流”建設】《自然·通訊》發表我校物電學院科研團隊研究成果

作者:物理與電子科學學院   編輯:黨宣    來源:物理與電子科學學院  發布時間:2019/04/13

近日,我校物理與電子科學學院朱斌教授團隊在低溫固體氧化物燃料電池電解質方面取得突破性進展,相關研究成果以“Shaping triple-conducting semiconductor BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ into an electrolyte for low-temperature solid oxide fuel cells”為題發表于國際著名期刊Nature Communications(Nature子刊,SCI影響因子12.353)。物電學院青年教師夏晨為論文的第一作者,朱斌教授和汪寶元副教授為共同通訊作者,湖北大學是該論文的第一完成單位和通訊單位。

固體氧化物燃料電池(SOFC)由于具有高轉化效率、低污染、燃料多樣性等突出優點,近年來已逐漸成為科學研究的熱點。然而,其核心部件電解質層通常需要較高的操作溫度(800-1200℃),極大地提高了電池的制造和運行成本,導致SOFC商業轉化困難。為了降低SOFC的操作溫度,需要開發在低溫(300-600℃)下具有高離子電導率的新型電解質。近期的研究提出了一種具有質子/氧離子/電子三重導電的質子陶瓷燃料電池陰極BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ(BCFZY),發現其在低溫區間能保持良好的質子/氧離子電導率和氧氣還原反應動力學。

為了充分利用BCFZY在低溫下的優勢并消除其電子電導的負面影響,朱斌教授團隊提出了pn異質結構電解質的想法,即通過引入n型半導體ZnO與p型半導體BCFZY構建異質結構復合電解質,利用體異質結促進離子的運輸并且阻擋電子的導通,從而實現電解質功能。研究發現,所制備的BCFZY-ZnO電解質具有大量的異相界面,應用于低溫SOFC后能夠實現理想的開路電壓和輸出功率,排除了電子的短路問題。通過對交流阻抗譜和極化曲線的分析,研究發現該材料具有優異的混合質子/氧離子電導率(500℃達到0.20 S/cm)?;趯煞N半導體在SOFC氣氛下導電類型以及能級位置的測試,研究團隊從能帶理論的角度分析了電解質中體異質結內建電勢對離子運輸的促進機制以及對電子的阻擋作用。這一研究成功地將離子導電型半導體整合到SOFC的電解質層中,為發展高性能的低溫電解質提供了一個全新的思路。該項工作依托于物電學院“鐵電壓電材料與器件”湖北省重點實驗室與“湖北省百人計劃”團隊,得到國家自然科學基金的資助。

項目團隊成員

近年來,該團隊從半導體物理的視角設計和研究了多種新型低溫SOFC,先后在無電解質層燃料電池、肖特基結燃料電池、鈣鈦礦太陽能電池型燃料電池、天然礦物基燃料電池以及半導體異質結電解質燃料電池等方面取得了系列成果,在新一代半導體物理結合離子電化學的高效清潔能源技術方面形成了特色。該團隊至今以湖北大學為第一單位或通訊作者單位,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等國際影響力學術期刊上發表了SCI論文50余篇,參加國際重要會議作大會特邀報告10余次,有效提升了學校在燃料電池研究領域的國際影響力。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09532-z.pdf


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