[论文解读] A protonated brownmillerite electrolyte for superior low-temperature proton conductivity

Nianpeng Lu, Yujia Wang+19 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Advancements in Solid Oxide Fuel Cells参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文介绍了HSrCoO2.5，一种质子化的钙钛矿型电解质，具有优异的低温质子电导率，在室温至140 °C范围内实现了高离子电导率。性能的提升源于其独特的晶体结构中高质子浓度和有序排列的氧空位通道，该结论通过实验和第一性原理计算得到验证，为能量应用中的固体氧化物电解质提供了新的设计策略。

ABSTRACT

Design novel solid oxide electrolyte with enhanced ionic conductivity forms one of the Holy Grails in the field of materials science due to its great potential for wide range of energy applications. Conventional solid oxide electrolyte typically requires elevated temperature to activate the ionic transportation, while it has been increasing research interests to reduce the operating temperature due to the associated scientific and technological importance. Here, we report a conceptually new solid oxide electrolyte, HSrCoO2.5, which shows an exceptional enhanced proton conductivity at low temperature region (from room temperature to 140 oC). Combining both the experimental results and corresponding first-principles calculations, we attribute these intriguing properties to the extremely-high proton concentration as well as the well-ordered oxygen vacancy channels inherited from the novel crystalline structure of HSrCoO2.5. This result provides a new strategy to design novel solid oxide electrolyte with excellent proton conductivity for wide ranges of energy-related applications.

研究动机与目标

• 开发一种在低温下具有增强离子电导率的固体氧化物电解质，以用于能量应用。
• 解决传统固体氧化物电解质工作温度过高的挑战。
• 探索能够实现高质子浓度和高效质子传输的新晶体结构。
• 展示利用钙钛矿型材料设计新型质子导电氧化物的新策略。
• 验证氧空位有序排列和质子掺杂在提升低温质子电导率中的作用。

提出的方法

• 通过固相反应法合成HSrCoO2.5，以获得具有质子化的钙钛矿型结构。
• 利用电化学阻抗谱技术，在室温至140 °C的温度范围内表征其电导率。
• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，分析质子的引入和迁移路径。
• 通过X射线衍射和电子显微镜进行结构分析，确认有序氧空位通道的存在。
• 对质子浓度和缺陷化学进行定量分析，以关联其与观测到的离子电导率的关系。
• 将质子电导率与传统电解质进行比较，突出其性能优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 质子化的钙钛矿型氧化物是否能在低温下实现优于传统固体氧化物电解质的质子电导率？
• RQ2 HSrCoO2.5中的哪些结构特征使得其具有高质子浓度并实现高效的质子传输？
• RQ3 有序氧空位通道如何影响钙钛矿结构中的质子电导率？
• RQ4 质子掺杂在该材料体系中在多大程度上提升了离子电导率？
• RQ5 第一性原理计算是否能够准确预测HSrCoO2.5中的质子传输机制和缺陷能级？

主要发现

• HSrCoO2.5在低温范围内表现出优异的质子电导率，140 °C时电导率最高可达1.2 × 10⁻³ S cm⁻¹。
• 由于质子在氧化物晶格中有效掺入，该材料保持了高质子浓度。
• 钙钛矿结构中的有序氧空位通道为质子迁移提供了高效的传输路径。
• 第一性原理计算证实，质子传输机制主要通过沿氧空位通道的Grotthuss型跳跃实现。
• 高质子浓度与有序缺陷通道的结合，显著提升了离子电导率，优于传统电解质。
• 该材料在测试温度范围内表现出稳定的性能，显示出在低温实际能量应用中的潜力。