东京工业大学理学院化学系的八岛正知教授、上野那智硕士生（研究当时）、矢口宽博士生（研究当时，现就职于日本理化学研究所）、藤井孝太郎助教组成的研究团队发表研究成果称，发现了一组超越已知材料、具有极高的氧化物离子传导率和高稳定性的氧卤化物(含氧氯化物）新物质群，这些物质的氧化物离子传导性比以往材料低200℃以上。该成果有望推动包括固体氧化物燃料电池在内的各种新材料的开发。相关研究成果已于4月9日发表在国际学术期刊《Journal of the American Chemical Society》电子版上。
图1.（a）本研究发现的Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl在比传统材料YSZ低213℃的温度下表现出了10mS/cm的高氧化物离子传导率。通过（b）实验和（c）理论计算，研究团队明确了氧化物离子在三重萤石相似层中的准晶格间扩散机制，这也是氧化物离子传导率较高的原因。（版权所有：©论文作者等（2024））
氧化物离子导体是一种氧化物离子（O2-）的传导物质，此类物质在固体氧化物燃料电池（SOFCs）和氧气分离膜等领域具有广泛应用前景，因此备受期待。目前的SOFCs中使用的钇稳定氧化锆电解质的工作温度很高（700～1000℃），这不仅导致制造成本高昂，而且电池在高温下易发生劣化。因此，迫切需要一种在中温（400～500℃）下仍能表现出高传导性能的氧化物离子导体。
本次研究中，研究团队成功合成了一种新型氧卤化物“Bi2-xTexLuO4+x/2Cl（x＝0.1、0.2）”。这种氧卤化物离子导体由铋、碲、镥、氧、氯等元素组。其中，当x＝0.1时生成的“Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl”显示出最高的离子传导率。
这种新型氧化物离子导体可在远低于既往实用材料运行温度（644℃）的温度（431℃）下，表现出10mS/cm的符合燃料电池领域实用化标准的氧化物离子电导率。此外，研究还证实，在10-4～10-18个大气压的氧分压范围内，这种物质的传导率保持恒定，具有不会发生降低发电效率的电子传导现象且性质极为稳定的体征。
研究还揭示了这种物质具有高氧化物离子传导率的原因——氧化物离子以晶格间氧位点和晶格氧位点为媒介，通过准晶格间机制在类三重萤石层中进行二维扩散。
研究人员认为，通过在低于500℃的中温下实现物质的高离子导电性和高稳定性，有望推动在中温下运行的固体氧化物燃料电池等成本较低的高性能电化学器件的开发。
八岛教授表示：“上野那智在攻读硕士学位期间经过艰苦努力，通过分析交流阻抗数据的等效电路，计算出了可信的传导率，并实验证实了该物质具有较高的氧化物离子传导率。此外，在晶体结构分析方面，确定晶格间氧的位置也非常困难，但我们最终阐明了可信的晶格间氧位置和离子传导机制。通过这项研究，我们发现了一种兼具高氧化物离子传导性和高稳定性的新材料，未来，与这一发现相关的材料研究预计将更加活跃，从而开发出低运行温度的高性能燃料电池。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Journal of the American Chemical Society
论文：High Conductivity and Diffusion Mechanism of Oxide Ions in Triple Fluorite-like Layers of Oxyhalides
DOI：10.1021/jacs.4c00265
