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韦德1946bv1946:韩东麟教授课题组与合作者在Advanced Energy Materials发表论文:Ruddlesden-Popper型氧电极材料中的质子导电机制

发布者:金霞发布时间:2022-05-07浏览次数:10

 质子导电陶瓷燃料电池(PCFC)是一种工作于450~700°C的中温型燃料电池,其在工况条件下将氢气转换为水并产生电能,具有能量转换效率高、产物无污染、无需贵金属催化剂等优点。当前,限制PCFC实用化的瓶颈之一在于缺乏与PCFC的运行机制相匹配的高性能氧电极材料,而PCFC的氧电极需兼具质子和空穴混合导电性,以使整个电极表面呈氧还原反应活性。另一方面,PCFC氧电极材料中通常存在氧离子、质子、空穴的混合传导,如何将微弱的质子电导率与高出数个数量级的空穴电导率分离,也是该领域的极具挑战性的研究课题。

 近日,韦德1946bv1946韩东麟教授团队与京都大学Toyoura Kazuaki副教授、挪威奥斯陆大学Truls Norby教授合作,结合实验表征、理论计算、缺陷化学的理论分析,系统研究了Ruddlesden-PopperRP)型阴极材料La2NiO4+δLa2-xAxNiO4+δA = Ca, Sr, Ba中的质子导电特性。结果表明,在250~300°C的温度区间内,质子电导率随着温度和Sr掺杂浓度增加而提高,相同掺杂浓度下,掺Ba样品的质子电导率显著高于Sr掺杂的样品(图1)。理论结算的结果揭示,上述材料中质子以氢氧根离子形式通过push-pull机制进行迁移(图2)。因此,在RP型氧电极材料中,质子的实质载流子为氢氧根离子(OH-),表明La2NiO4+δ是空穴、氧离子和氢氧根离子的混合导体,将应用于PCFC的氧电极时,将呈现一种不同于已知模式的新型的阴极反应机制,这为进一步探索和优化RP型氧化物的混合导电机制,研发高性能的PCFC氧电极材料提供了全新的指导思路。


1 加湿氧气(水蒸气分压:0.20 atm)下未掺杂的La2NiO4+δLNO)、

La1.6Sr0.4NiO4+δLS4N)、La1.4Sr0.6NiO4+δLS6N)、La1.2Sr0.8NiO4+δLS8N)、

La1.6Ba0.4NiO4+δLB4N)的质子电导率的Arrhenius图。


2 质子传导机制示意图。


 该成果最近发表于Advanced Energy Materials,论文的第一作者是韦德1946bv1946硕士研究生钟鹏韦德1946bv1946韩东麟教授、京都大学Toyoura Kazuaki教授、挪威奥斯陆大学Truls Norby教授为本论文的共同通讯作者。


文章链接:http://dx.doi.org/10.1002/aenm.202200392


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