在较低温度下发现异常的氧离子导电性

日本东京工业大学的研究人员最近发现了一种解决固体氧化物燃料电池在低于500摄氏度温度下无法充分发挥潜力的方法。他们在含铋的Sillén氧卤化物中展示了高离子导电性和稳定性，例如在431摄氏度时为10mS/cm，比传统导体在310摄氏度时的导电性高204倍。

固体氧化物燃料电池以其高效率和改善的安全性而闻名。其中一个关键因素是固体电解质：氧化物离子导体。其出色的电化学性能使其不仅成为SOFC应用的理想电解质，还可用于固体氧化物电解电池（SOECs）、传感器和氧分离膜。

尽管氧化物离子导体具有显著优势，但常用的氧化物离子导体，如稳定化钇-氧化锆（YSZ），需要极高的工作温度1000−700摄氏度。长时间以来，这种高温对SOFC的性能可能会产生不利影响。为防止降解，通常使用昂贵的耐热合金，从而增加了SOFC的生产成本。此外，在500摄氏度以下表现出10−2 S cm−1的导电性的稳定氧化物离子导体也较为缺乏。

为填补低温下稳定氧化物离子电解质的差距，东京工业大学的Masatomo Yashima教授领导的研究小组最近将注意力转向Sillén氧卤化物。在最新的《美国化学学会杂志》研究中，他们合成了一系列含铋（Bi）的Sillén氧卤化物，并研究了它们的电学和结构特性。 该研究中，研究人员合成了具有分子式Bi2−xTexLuO4+x/2Cl（x = 0, 0.1和0.2）的Sillén氧氯化物。 他们对Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl进行的实验显示出高达10mS/cm（= 0.01 Ω−1 cm−1）的高体导电性，这远远超过了传统材料YSZ（稳定化钇-氧化锆）的644摄氏度的工作温度。 Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl在310°C时也表现出高达1.5×10−3 S cm−1的高体导电性，比YSZ高出200多倍。 进一步的分析表明，Sillén氧氯化物的三重萤石层中存在插入氧离子扩散，这导致了低激活能和高导电性。

除了优异的氧离子导电性外，Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl在431°C时还表现出与氧分压无关的高电导率，这表明存在一个电解质区域。 它还在400°C和600°C环境空气中保持了高化学稳定性。

这项研究的结果表明，Sillén氧卤化物的三重萤石层可以用于开发低于500摄氏度的高离子导体，解决了氧化物离子导体长期存在的问题。 Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl的高离子和电导率以及化学稳定性可能为开发具有三重萤石层的优越氧化物离子导体打开了新的道路。

Yashima总结道：“固体氧化物燃料电池正被广泛接受为新型能源来源，但由于其高工作温度，成本较高。通过这项研究，我们开发了新的氧化物离子导体，可以显著降低工作温度并减少成本。”