深圳大学化学与环境工程学院范梁栋副教授团队在《Chemical Engineering Journal》（中科院大类一区，TOP期刊）上发表了题为“In situ reconstruction of proton conductive electrolyte from self-assembled perovskite oxide-based nanocomposite for low temperature ceramic fuel cells”的研究论文。全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154977。硕士研究生叶为民和实验员胡启铖为论文共同第一作者，范梁栋副教授为论文唯一通讯作者，深圳大学为第一和唯一通讯单位。

研究背景：

低温固体氧化物燃料电池（LT-SOFCs，也称为陶瓷燃料电池）是一种高效的将各种燃料的化学能直接转换为电能的陶瓷电化学设备，具有高能量转换效率和独特的燃料灵活性。它被认为是在全世界碳中和目标背景下最具优势的清洁能源转换设备之一。然而，LT-SOFCs的广泛应用受到一些限制，尤其是高导电性和高制造成本的致密电解质材料的缺乏。研究者们探索了不同的方法来提高离子导电性，包括通过外来阳离子掺杂创造氧空位，以及使用半导体或混合离子和电子导体的电解质材料强化离子传导。后者起初虽然有部分电子导电，但在燃料电池操作条件下转化为电子绝缘体/离子导电电解质。此外，相关研究还强调了合成方法和技术参数引起的物理和化学性质如相结构、比表面积以及表面和界面化学对所得材料的电化学性能产生的影响。自组装策略因其能够通过简单处理合成具有均匀相分布、丰富异相界面和牢固界面结合的纳米复合材料而受到越来越多的关注，以成为高离子导电电解质材料潜力方法。

文章简介：

本文通过锂掺杂诱导的自组装方法开发了一种新型的SL_xFN钙钛矿半导体基双相材料，并将其作为低温下运行的SOFC的电解质关键成分。这一材料通过自组装形成了具有出色水合能力的LiFeO₂新相，并且在燃料电池条件下原位重构形成氧化物/氧化物-碳酸盐/氢氧化物微纳复合材料，显著提高了质子传导性和单电池输出性能。

图1. 图文摘要

研究亮点：

亮点一：通过锂掺杂诱导的自组装方法从表观SL_xFN钙钛矿前驱体获得了LiFeO₂+SFN的半导体双相材料。Li⁺的掺杂增加氧空位浓度，协同具有强水和能力的LiFeO₂强化离子传导。

亮点二：SOFC的关键材料LiFeO₂+SFN在燃料电池气氛下原位重构产生LiFeO₂+SFN+碳酸盐的微纳异质结构电解质，丰富的异质界面、界面缺陷和增强水合能力显著地提升离子导电性到0.185S/cm；LT-SOFC单电池峰值功率密度达到1012 mW/cm²（550^oC）。

亮点三：合理设计离子导电特性实验，通过水合作用、氧离子阻塞功能层和浓差电池实验研究验证了微纳异质结构电解质表现为高质子导电特性，显示出在低温下高效的质子传输能力。

未来展望：

本研究从钙钛矿半导体材料出发，联合自组装与原位相重构技术构建了超离子导电的新型电解质材料，这为低温陶瓷燃料电池技术实现高效的电化学能量转换提供了新路径，也为新型电解质材料的设计和合成提供新思路和新方法。

本研究得到了国家自然科学基金委面上项目、广东省科技厅基础与应用基础研究面上项目和台北科技大学-深圳大学合作专题研究项目的大力支持。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.154977