研究背景
質(zhì)子陶瓷燃料電池（PCFC）是一種新型的燃料電池技術(shù)，它利用質(zhì)子導電的陶瓷材料作為電解質(zhì)，通過電化學反應將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換為電能。這種技術(shù)具有高能效、低污染的特點，被認為是未來清潔能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。PCFC的工作原理是將燃料（如氫氣）和氧化劑（如氧氣）分別送入電池的陽極和陰極，通過電解質(zhì)進行質(zhì)子交換，從而產(chǎn)生電流。在這個過程中，燃料在陽極發(fā)生氧化反應，產(chǎn)生質(zhì)子和電子；質(zhì)子通過電解質(zhì)傳導到陰極，而電子則通過外部電路移動，為外部設備提供電力。在陰極，質(zhì)子與氧化劑發(fā)生還原反應，生成水，完成整個電化學反應過程。然而，在PCECs模式下，電極反應方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)，導致電極過電位極性改變，特別是在高電流密度條件下，使系統(tǒng)面臨更極端的電化學環(huán)境，從而對材料的穩(wěn)定性提出了更高要求。目前，PCFCs/PCECs的主流結(jié)構(gòu)采用三明治式設計，包括多孔燃料電極支撐層、致密電解質(zhì)膜及薄層多孔氧電極。其中，BaCeO?基質(zhì)子導體（如BCZYYb）因其在300–600°C下的高質(zhì)子電導率和較好的PCFC穩(wěn)定性而受到廣泛關(guān)注。然而，該材料在PCECs條件下，尤其是高蒸汽分壓環(huán)境中，表現(xiàn)出較差的化學穩(wěn)定性，易與CO?或H?O發(fā)生反應，導致結(jié)構(gòu)劣化。此外，Ce基材料的電化學還原穩(wěn)定性較差，影響了PCECs的長期耐久性。因此，尋找兼具高質(zhì)子電導率和優(yōu)異化學穩(wěn)定性的電解質(zhì)材料成為該領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。 為了解決這些問題，美國愛達荷國家實驗室丁冬、美國麻省理工學院李巨、美國新墨西哥州立大學羅紅梅、清華大學董巖皓團隊合作在“Nature Synthesis”期刊上發(fā)表了題為“Sintering protonic zirconate cells with enhanced electrolysis stability and Faradaic efficiency”的最新論文。該團隊突破了BaZrO?基質(zhì)子導體的燒結(jié)瓶頸，成功制備了無Ce、無燒結(jié)助劑的BaZr?.?Y?.?O??δ（BZY）電解質(zhì)，并將其壓力無助燒結(jié)溫度降低至1450°C。該方法避免了傳統(tǒng)BZY材料因高溫燒結(jié)導致的Ba揮發(fā)及NiO副反應問題，同時提升了電解質(zhì)膜的致密度和質(zhì)子導電性能。利用優(yōu)化后的BZY材料，研究團隊構(gòu)建了全BZY結(jié)構(gòu)的PCECs，并在高蒸汽分壓條件下實現(xiàn)了遠超文獻報道的高電解性能。該研究不僅為高性能PCECs提供了可行的材料解決方案，同時強調(diào)了在極端條件下進行電化學能量轉(zhuǎn)換時，材料穩(wěn)定性與活性之間的平衡策略，為耐久性電化學器件的開發(fā)提供了新的思路。
研究亮點
(1) 本研究首次實現(xiàn)無燒結(jié)助劑的 BZY 電解質(zhì)低溫燒結(jié)（1,450°C），獲得了高質(zhì)密度的 BZY 薄膜，并應用于高蒸汽分壓電解池。 (2) 研究通過優(yōu)化燒結(jié)工藝，有效降低了 BZY 的燒結(jié)溫度，同時避免了燒結(jié)助劑引入的質(zhì)子陷阱和電阻性晶界相，提高了 BZY 電解質(zhì)的質(zhì)子電導率。(3) 在高蒸汽分壓條件下，BZY 電解質(zhì)表現(xiàn)出優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，相比傳統(tǒng)富 Ce 鈣鈦礦材料，能有效抵抗酸性環(huán)境（H?O 和 CO?）腐蝕，并減少燃料電極側(cè)的還原不穩(wěn)定性。(4) 組裝的 BZY 全電池在高蒸汽壓力電解模式下表現(xiàn)出優(yōu)越的電化學性能，其性能遠超以往文獻報道的同類體系，驗證了 BZY 作為高性能 PCEC 電解質(zhì)的潛力。
圖文解讀
圖1.為解決BZY膜燒結(jié)難題而重新設計的半電池。圖4.具有超薄電解質(zhì)的BZY-5全電池的電化學性能。圖5.具有薄電解質(zhì)的50×50 mm2方形電池。
結(jié)論展望
本文通過重新設計 BZY 全電池的結(jié)構(gòu)，作者解決了致密 BZY 膜的燒結(jié)難題，并釋放了 BZY 基 PCFCs/PCECs 在高電流密度、高蒸汽分壓電解條件下的優(yōu)異電化學性能和穩(wěn)定性。改進后的質(zhì)子型鋯酸鹽電池在氫氣及化學品制備方面表現(xiàn)出巨大潛力，兼具適中的熱預算和嚴苛但高效的電化學運行條件。作者的研究強調(diào)了工藝創(chuàng)新（如協(xié)同燒結(jié)）在充分發(fā)揮材料本征優(yōu)勢、實現(xiàn)特定應用中的關(guān)鍵作用。 Tang, W., Bian, W., Ding, H. et al. Sintering protonic zirconate cells with enhanced electrolysis stability and Faradaic efficiency. Nat. Synth (2025). https://doi.org/10.1038/s44160-025-00765-z
