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                《科學》刊發体彩排列5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,這是体彩排列5與中國地質大學(武漢)合作完成、体彩排列5物理與★電子科學學院黃敏副教授作為共同一作的文章,標誌著湖北大ξ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ζ 料電池是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之後的第四種發電技術,因其潔凈、高效、無汙染等特點而受到越來越廣泛的關註,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ζ法,並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。

                不同於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於異質結界面,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)。實驗成卐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範。

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

                本研究的理論計算工作由体彩排列5物理與電子科學學院黃敏副教ㄨ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),並且為實驗所證實;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ㄨ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。

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