清華新聞網(wǎng)4月3日電 陶瓷質(zhì)子膜燃料電池和電解池是未來(lái)氫能經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，能夠在300至600攝氏度的中溫區(qū)提供高效能量轉(zhuǎn)換和電化學(xué)合成。陶瓷質(zhì)子膜是其核心材料，能夠在水合后提供高質(zhì)子電導(dǎo)率，作為固態(tài)電解質(zhì)材料構(gòu)筑燃料電池和電解池器件。然而，傳統(tǒng)的鈰酸鋇基電解質(zhì)（如BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3?δ）在高電解電流密度、高水蒸氣分壓及酸性氣氛下易發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)衰減，限制了其在苛刻工況條件下的應(yīng)用。鋯酸鋇基電解質(zhì)（如BaZr0.8Y0.2O3?δ）具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，但長(zhǎng)期存在燒結(jié)溫度高、燒結(jié)助劑降低性能等問(wèn)題，高致密度電解質(zhì)陶瓷和高性能電化學(xué)器件的制備是亟需突破的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

基于上述背景，清華大學(xué)材料學(xué)院董巖皓助理教授與合作者美國(guó)新墨西哥州立大學(xué)羅紅梅教授、美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授和美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室丁冬研究員提出了基于高活性支撐層燒結(jié)應(yīng)力輔助的多層共燒技術(shù)，通過(guò)支撐層、過(guò)渡層和質(zhì)子膜中氧化鎳第二相和鈰摻雜濃度的一體化設(shè)計(jì)，首次在1450攝氏度實(shí)現(xiàn)了無(wú)燒結(jié)助劑、高致密度鋯酸鋇基質(zhì)子膜和高性能電化學(xué)器件的制備（圖1）。研究表明，鋯酸鋇基質(zhì)子膜燃料電池和電解池具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性（圖2），能夠在450至600攝氏度、0.5至0.7個(gè)大氣壓的高水蒸氣分壓和0.5至2.0安培每平方厘米的高電解電流下展現(xiàn)出高法拉第效率和優(yōu)異的穩(wěn)定性，相較于傳統(tǒng)的鈰酸鋇基電解質(zhì)優(yōu)勢(shì)明顯。鋯酸鋇陶瓷燒結(jié)技術(shù)的突破，有望為高功率密度陶瓷質(zhì)子膜燃料電池和極端工況電解池的研發(fā)與應(yīng)用提供有力支撐。

圖1.鋯酸鋇基陶瓷質(zhì)子膜多層共燒技術(shù)

圖2.鋯酸鋇基陶瓷質(zhì)子膜電池具有優(yōu)異的電解穩(wěn)定性

相關(guān)研究成果以“高電解穩(wěn)定性和法拉第效率的鋯酸鹽質(zhì)子膜電池?zé)Y(jié)技術(shù)”（Sintering protonic zirconate cells with enhanced electrolysis stability and Faradaic efficiency）為題，于3月14日在線發(fā)表于《自然·合成》（Nature Synthesis）。

美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室唐威博士、邊文娟博士和美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)丁漢平助理教授為論文共同第一作者，董巖皓、羅紅梅、李巨和丁冬為論文共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s44160-025-00765-z

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