固體氧化物燃料電池（SOFC）等電解質(zhì)在能量轉(zhuǎn)換的電化學(xué)裝置中起著關(guān)鍵作用。開發(fā)新型離子導(dǎo)電電解質(zhì)是一個具有挑戰(zhàn)性的工作，低溫（300-6000C）SOFC目前仍然難以實現(xiàn)。由于常用的電解質(zhì)需要高溫度條件，SOFC存在高成本和技術(shù)復(fù)雜性的限制。為了滿足不斷增長的能源需求，全球都在努力開發(fā)高離子導(dǎo)電氧化物，以解決SOFC的高溫瓶頸。

Sajid Rauf博士和田宜彬教授團(tuán)隊首次引入了介電鈣鈦礦 （CCTO） 作為燃料電池中的電解質(zhì)，特別是用于調(diào)諧為高離子電解質(zhì)的n-p半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)低溫SOFC。利用高電子（空穴）導(dǎo)電半導(dǎo)體（NCAL）構(gòu)建P-N異質(zhì)結(jié)構(gòu)CCTO-NCAL將電子導(dǎo)電電介質(zhì)CCTO調(diào)諧為離子導(dǎo)體。CCTO-NCAL的異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過圖1中描述的密度泛函理論進(jìn)行計算。

Fig. 1.Optimal and relaxed crystal structures of CCTO and NCAL. c, d Top and side view of the CCTO–NCAL heterostructure crystal structures and e, f calculated values of energy vs volume of CCTO and NCAL via Murnaghan method.

之后，CCTO-NCAL的模擬晶體結(jié)構(gòu)通過實驗描述，如圖2所示。

Fig. 2.X-ray diffraction patterns of NCAL, CCTO, and their heterostructure CCTO–NCAL. b X-ray diffraction patterns of CCTO–NCAL heterostructure before and after testing in fuel cell operation

此外，他們通過高分辨率透射電子顯微鏡和場發(fā)射電子顯微鏡對微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌進(jìn)行了表征，如圖3所示。

Fig. 3. a-fHigh-resolution transmission electron microscope images representing the microstructure included the calculated lattice spacing and particle distribution with hetero-interfaces at the particles-level of CCTO, NCAL, and CCTO–NCAL heterostructure.g–iField emission-scanning electron microscopy images depicting: the surface morphology and particles distribution of the CCTO, NCAL, and CCTO–NCAL heterostructure.

他們成功實現(xiàn)了0.15 S cm-1的離子電導(dǎo)率和在5500C下605 mW cm-2的燃料電池功率輸出。CCTO-NCAL異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成導(dǎo)致離子電導(dǎo)率增強(qiáng)，同時抑制了電子電導(dǎo)率，如圖4所示。第一性原理計算證明了所提出的異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成策略的有效性，該策略對電子和結(jié)構(gòu)特性有重大影響。用半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法為為先進(jìn)的LT-SOFC和其他相關(guān)領(lǐng)域開發(fā)功能電解質(zhì)提供了新的思路。

Fig. 4.Fuel cell performance in terms of current density and voltage (I-V) and current density and power density (I–P) of theaCCTO andbCCTO–NCAL heterostructure electrolyte cells in the H2/air environments at operational temperature of 550–450 °C.

在異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料界面處探索能帶工程代表了一種有趣的機(jī)制。在此背景下，采用紫外-可見光譜和UPS來獲得各自的價帶最大值和能量帶隙，以確定和證明能帶對準(zhǔn)。結(jié)果值如圖5所示。 這項工作中提出的結(jié)果遵循能帶理論，其中能帶理論與半導(dǎo)體氧化物材料密切相關(guān)。

Fig. 5. aUV–Vis spectra of CCTO, complete spectrum and energy optical gap.bUPS spectra cutoff energy region, and onset energy region of CCTO, NCAL, and CCTO–NCAL.cEnergy band diagram of fuel cell CCTO–NCAL heterostructure obtained according to UPS results and energy band gap

機(jī)電與控制工程副研究員Sajid Rauf為本文第一作者，教授田宜彬、俄羅斯烏拉爾聯(lián)邦大學(xué)教授Dmitry Medvedev和東南大學(xué)教授朱斌為共同通訊作者。

Nano-Micro Letters是由Springer和上海交通大學(xué)共同出版的交叉學(xué)科頂級期刊，2023年的影響因子（IF）為31.6，在WOS的JCI排名中，應(yīng)用物理3/179，納米技術(shù)2/140，多學(xué)科材料科學(xué)6/438，均位列相關(guān)方向期刊百分位的1.5%。

論文鏈接：https://rdcu.be/dVe9A