在持续的能源和气候危机中，风险从未如此之高。我们迫切需要找到更好的方法来生产清洁能源以取代化石燃料。到目前为止，燃料电池似乎是最有前途的研究方向之一。这些电化学装置可以直接通过化学反应产生电能，并且可以定制为在反应物和输出方面对环境友好的装置。
燃料电池的类型多种多样，但固体氧化物燃料电池 (SOFC) 尤其受到研究人员的关注。由于无需液体电解质，因此它们具有更高的安全性，并且通常更容易制造。不幸的是，它们的主要缺点之一是工作温度高。传统的 SOFC 需要超过 700°C 才能正常工作，这限制了它们的适用性，降低了它们的效率和功率输出，并且通常会损害它们的耐用性。因此，可以在较低温度范围内运行的质子传导 SOFC (PC-SOFC) 正在被研究作为一种有前途的替代方案。
在此背景下，东京理科大学樋口徹教授等研究团队通过开发一种新型空穴-质子混合导体材料，在 PC-SOFC 方面取得了突破。他们的研究成果于 2024 年 6 月 18 日发表在《日本物理学会杂志》上，可能为能源技术的重要技术进步铺平道路。
所讨论的材料是一种钙钛矿型氧化物陶瓷，其分子式为 BaCe 0.4 Pr 0.4 Y 0.2 O 3 − δ (BCPY)。这些特定的掺杂剂，即 Pr 和 Y 离子，是根据研究团队成员之前的研究成果选择的。他们观察到 BaCe 0.9 Y 0.1 O 3 − δ和 BaPrO 3 − δ分别表现出质子和空穴(一种正电荷载体)传导。因此，他们推测 Pr 和 Y 共掺杂可能会产生较高的质子-空穴混合电导率。
这种材料可用于PC-SOFC的阳极电极，正如Higuchi教授所解释的那样：“其他燃料电池中使用的Pt金属电极存在一些问题，例如，由于电化学反应仅发生在燃料气体/电极/电解质相交的三相界面上，因此功率输出会大幅下降。为了解决这个问题，一种具有混合导电性的致密膜可以通过扩大电化学反应面积来提高PC-SOFC的性能。 ”
研究人员利用溅射技术制备了 BCPY 薄膜，并仔细分析了其导电性能，试图找到混合质子-空穴传导的证据。为此，他们建立了一种定量评估方法，使用 X 射线吸收光谱和缺陷化学分析来确定氧空位。通过这些实验以及包括用于电子能带结构分析的同步辐射光电子能谱在内的几项额外实验，他们发现了大量证据表明，混合空穴-质子传导可以在所提出的电极材料表面上发生。
值得注意的是，BCPY 电极在 300°C 时表现出超过 10 −2 SK/cm的高电导率，这不仅为 PC-SOFC 带来了光明的未来，也为其他技术带来了光明的未来。Higuchi 教授强调说：“如果我们能够进一步证实 BCPY 薄膜确实能够实现空穴-质子混合电导率，那么 BCPY 可能成为一种新型氧化物材料，不仅可用于 PC-SOFC 阳极电极膜，还可用于电双层晶体管。 ”需要澄清的是，这种晶体管技术可以解决传统晶体管的可扩展性和小型化问题，这对于开发人工智能系统和提高个人电子设备的计算能力至关重要。
无论如何，这项研究为 PC-SOFC 的新电极材料提供了一些急需的启示。随着这一激动人心的领域的进一步发展，电化学能发电最终可以让我们用更清洁的电力为家庭和汽车供电，为更可持续的社会铺平道路。
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