300-600°C下蒸汽电解和电化学合成等新兴应用对质子陶瓷电池的稳定性提出了严格的要求。最受欢迎的选择包括与Zr、Y和Yb共掺杂的BaCeO
3
，例如BaCe
0.7
Zr
0.1
Y
0.1
Yb
0.1
O
3−
δ
(BCZYYb)。尽管仍然需要相对较高的烧结温度(~1,450 °C)来实现致密化，BCZYYb在300–600 °C时可提供高质子电导率，并为PCFC运行提供足够的稳定性。然而，BCZYYb和其他富铈钙钛矿电解质通常在氧电极侧与酸性气氛 (例如，含有H
2
O和CO
2
)表现出较差的化学相容性，在燃料电极侧表现出较差的抗还原电化学稳定性。在高电流密度和/或高蒸汽压力PCEC操作中，情况会变得更加糟糕。
随着BaCeO
3
基电解质的发展，
A
ZrO
3
基电解质（
A
= Ba、Sr、Ca等）也得到了探索。后者在致密形式下表现出足够的质子传导性，但太耐火而无法烧结。例如，在共烧结燃料电极/电解质双层中，BaZr
0.8
Y
0.2
O
3−
δ
(BZY)通常需要≥1,600 °C的烧结温度才能形成颗粒和膜。致密电解质膜的烧结性难题不仅增加了加工所需的能量和成本，而且还会对电化学电池造成有害影响，例如Ba的损失（由于挥发）以及NiO与电解质之间严重的副反应。因此，基于BaZrO
3
的电化学电池的性能不如BCZYYb电池那么高。然而，除了致密电解质膜的加工难题之外，BZY在酸性环境中确实表现出了更好的化学稳定性。即使在富含Ce的钙钛矿中，将B位的Zr阳离子百分比增加到40%也可以大大提高CO
2
稳定性。
美国爱达荷国家实验室丁冬、麻省理工学院李巨教授、美国新墨西哥州立大学罗红梅教授、清华大学董岩皓助理教授
等研究人员等研究人员成功地将BZY的无压烧结温度（不含任何可能导致质子陷阱或电阻晶界相的烧结助剂）降低到1,450°C的低温。其中易烧结支撑层的收缩应力有助于在低温下使纯BaZr
0.8
Y
0.2
O
3
–δ
电解质膜致密化。这种方法消除了致密锆酸盐电解质膜中的Ce和有害的烧结助剂，从而提高了法拉第效率和电化学稳定性，尤其是在恶劣的操作条件下。质子锆酸盐电池性能卓越，在高达0.7 atm的蒸汽压力、-2 A cm
-2
电流密度和600 °C下动态运行超过800小时的情况下表现出稳定的高蒸汽压力电解，远远超过相关系统中的文献报告。结果证明了质子锆酸盐电解质在具有严格稳定性要求的高性能电解器中的应用前景。
相关研究成果以“
Sintering protonic zirconate cells with enhanced electrolysis stability and Faradaic efficiency
”
为题
发表在
Nature Synthesis
上。
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共烧结工艺的创新：
通过设计包含BCZY+NiO支撑层、BZY+NiO缓冲层和BZY电解质层的三层层压结构，并利用BCZY+NiO层的快速收缩应力，成功在较低温度（1,450°C）下致密化纯BZY电解质膜，解决了BZY材料难以烧结的问题，同时避免了使用有害的烧结助剂。
优异的电化学性能：
制备的BZY-15电池在450-600°C范围内展现出高质子传导性和高电流密度。例如，在600°C下，BZY-15电池的峰值功率密度达到0.60 W cm
-2
，电解模式下电流密度达到-1.14 A cm
-2
（1.3 V时）。进一步优化的BZY-5电池（电解质厚度约5μm）性能更佳，600°C下峰值功率密度达1.24 W cm
-2
，电解模式下电流密度达-2.33 A cm
-2
（1.3 V时）。
高蒸汽压电解的稳定性：
BZY-15电池在高达0.7atm的蒸汽压和-2 A cm
-2
的高电流密度下，600°C条件下稳定运行超过800小时，电压增加minimal，法拉第效率保持稳定。相比之下，传统的BCZYYb电池在相同条件下电压增加显著，稳定性较差。
大尺寸电池的制备与性能：
成功制备了50×50mm
2
的大面积BZY电池，电解质厚度约9μm，室温下具有良好的机械强度和电化学性能，600°C下峰值功率密度达0.84 W cm
-2
，展示了该技术的可扩展性和实际应用潜力。
图1.重新设计的半电池，解决BZY膜烧结难题
图2.BZY-15全电池的电化学性能
图4.采用超薄电解质的BZY-5全电池的电化学性能
图5.具有薄电解质的50 × 50 mm
2
方形电池
这项研究通过重新设计BZY全电池的架构，为致密的BZY膜烧结难题提供了解决方案，并解锁了基于BZY的PCFC/PCEC的出色电化学性能和稳定性，尤其是在高电流密度、高蒸汽压力电解下。重新审视的质子锆酸盐电池在热预算适中、电化学条件苛刻但回报丰厚的氢气和化学生产中前景光明。这项工作强调了（共）烧结等加工创新的关键作用，以充分发挥材料的内在优势，实现目标应用。
https://doi.org/10.1038/s44160-025-00765-z
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