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先进燃料电池从混合电子离子导体（MIEC）到新兴半导体离子材料（SIM）的演变

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-09-28 16:36

正文

文章题目：Emerging semiconductor ionic materials tailored by mixed ionic-electronic conductors for advanced fuel cells

出版信息：Adv. Powder Mater. 3(2024)100231.

第一作者：Bushra Bibi, Atif Nazar, 朱斌

通信作者：朱斌, Jung-Sik Kim, 云斯宁

在本文中，我们全面探讨了基于前沿学科——半导体离子学的最新研究成果和发展策略。文章系统论述了如何设计、改性和优化混合离子电子导体（MIEC），以在半导体离子膜燃料电池（SIMFC）中实现最佳性能，突出MIEC在能源转换和储存中的核心作用。

具体而言，本文重点介绍了MIEC在固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子陶瓷燃料电池（PCFC）中的重要作用到全功能半导体离子材料（SIM）在燃料电池的应用，即做电极又做电解质。内容涵盖了材料设计、表面改性、电子-离子耦合（e-i coupling）、界面功能等方面，同时强调了MIEC和SIM之间的内在联系、协同效应和物理机理。

我们深入剖析了e-i耦合的电子转移机制、界面效应、能带理论以及密度泛函理论（DFT）计算等重要方面，强调了MIEC，特别是三重电荷导电氧化物（TCO），在提升SIM和新一代燃料电池性能中的潜力。本文进一步指出，通过定制和发展MIEC/TCO，有效改善了电荷转移、界面极化、离子传输和功率增强，为下一代低温SOFC和PCFC的研发提供了新的见解和方向，助力燃料电池技术的商业化进程。

本研究将对未来能源技术的革新产生重要影响，推动新一代先进燃料电池的发展与应用。

研究背景

当前，能源转换和储存技术正处于变革的关键时期，面临着对更高效、更稳定和更具成本效益的解决方案的迫切需求。尽管固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子陶瓷燃料电池（PCFC）展示了巨大的应用潜力，但受限于现有材料，这些技术仍面临诸如高操作温度、低离子电导率以及商业化困难等严峻挑战。

在此背景下，半导体离子材料（SIMs）作为一种材料科学的新前沿，提供了一种全新的解决方案。半导体离子学专注于研究SIM中的离子和电子输运的相互作用及其规律，突破了传统的混合电子离子导体（MIEC）局限。不同于MIEC，SIM能够同时作为电极和电解质使用，这一独特特性为克服萤石和钙钛矿等传统离子导电材料的局限性提供了革命性的途径，有望在较低温度（300-550°C）下实现高性能陶瓷燃料电池。

因此，SIMs被定位为解决陶瓷燃料电池（如SOFC和PCFC）核心问题的关键材料科学和技术，能够提供高效的电荷转移、高离子输运率和材料稳定性。通过重新设计、调控和发展传统的MIEC和三重电荷导电氧化物（TCO），使其演变为具有定制性能的多功能材料，这种方法不仅能够显著改善当前燃料电池技术的现状，还为能源转换和存储领域的更广泛应用开创了新的前景。

创新点

（1）以“半导体离子学”这一全新学科视野和理论框架，为理解和设计材料提供新的方法，专注于研究材料的离子和电子导电性及其相互作用机制。这一框架重新定义了MIEC和SIM的作用方式，展示了如何通过这些材料改变能源转换和储存技术，特别是在先进燃料电池中的应用。

（2）通过SIM调控和增强MIEC性能：提出使用新兴的SIM来调控和增强传统MIEC的性能。这种创新策略将MIEC转化为具有多功能特性的材料，为设计满足特定需求的能源材料开辟了新的途径，显著提升了燃料电池的性能。

（3）多学科理论模型的深入应用：通过跨学科的理论模型，特别是密度泛函理论（DFT），为MIEC-SIM的协同机制提供了深刻的见解。该研究结合实验数据和理论模型，深入探讨了离子-电子耦合、结效应和能带排列等关键因素，在原子水平上全面解析了材料行为，指导新材料的合理设计和优化，为未来的材料科学研究和能源技术应用提供了新的思路。

文章概述

本文通过传统MIEC/TCO的描述，以TCO为桥梁，深入探讨了MIEC和SIM之间复杂的协同机制及其在能源转换和储存技术中的关键作用，特别是在SIMFC中的表现。SIM在这种燃料电池中兼具电极和电解质的功能，体现出其全功能的特性。本研究特别强调了SIMFC的基本工作原理，并研究了MIEC和TCO在SIMs和SIMFC领域的发展潜力，重点关注如何将MIEC发展为更具功能化的SIM。

传统的MIEC/TCO电极功能被改进的SIM替代，展示出更优异的氧化还原动力学性能，而SIM同时具备高离子输运电解质的功能，大大改善了电极/电解质界面的电荷转移和动力学过程。一个重要的进展是采用SmNiO₃等稀土镍制成的低温SOFC的高性能电解质。具有金属传导特性的SmNiO₃钙钛矿（MIEC）在燃料电池操作条件下转为SIM电解质隔膜，在500°C下达到1.03 V的开路电压（OCV）和225 mW cm⁻²的峰值功率。而基于半导体离子异质结构SIM为隔膜的SIMFC则实现了1000 mW cm⁻²的峰值功率输出。

本文探讨了离子和电子输运之间的相互作用，特别是能带结构、界面排列、本征电场或局域/内建电场和电荷转移机制等方面的共同作用，这对于优化半导体中的离子电导率和质子超导材料至关重要。我们特别关注离子（质子）耦合电子转移/传输、结效应和能带排列等关键因素，并介绍了相关的新型表征手段和方法。通过揭示这些复杂机制，本文旨在为MIEC/TCO的发展和新兴SIM的整合提供理论支持和实验依据，不仅解决与高效电荷转移、界面极化、离子传输和功率输出相关的挑战，还为燃料电池技术的广泛商业化提供了可能性和材料依托。

本综述回应了燃料电池技术在更高效、功能多样和成本效益材料方面的紧迫需求，尤其是在低温下运行的应用。本文不仅总结了当前的进展，还概述了该领域的挑战和机遇，为未来的研究提供了清晰的路线图，引导和促进的能源转换技术开发的创新。

为了实现燃料电池技术的广泛应用，必须克服成本、材料广泛性、可扩展性和耐用性等障碍。本文为此提供了宝贵的见解，阐明了当SIM与MIEC/TCO结合时，如何通过设计改性、定制提高性能、降低工作温度和材料成本来应对这些挑战。通过突出创新，有助于为高性能、低成本燃料电池的商业化铺平道路。

在本综述中讨论的挑战，如高效电荷转移，界面问题，电子离子耦合和离子传输到质子超导等，需要跨越材料科学、电化学、物理和工程的多学科方法。半导体离子学提出了一种大一统的框架，将理论模型、实验数据和实际应用相结合。这种跨学科的合作突出关键挑战，并为现在和未来的研究方向和解决方案提供指导，对于加速能源转换和储存的新材料和技术的发展具有重要意义和价值。

启示

1. 填补新兴材料科学的空白：本综述聚焦于半导体离子材料（SIMs）和半导体离子学这一新兴学科的发展，提供了一个全新的视角。通过整合最新的研究、理论见解和实验结果，从材料的物理属性出发，探究不同材料的协同机制以及电荷转移和输运的规律。该综述为优化燃料电池性能提供了有力的科学依据，有助于构建这一新兴领域的整体框架和未来发展思路。

2. 克服传统燃料电池材料的局限性：本文详细阐述了SIM与MIEC的整合如何为当前的燃料电池技术提供了一种新颖且有效的解决方案。通过引入材料调控的新视角，文章强调了满足更高性能、更功能化和更具成本效益的燃料电池材料需求的紧迫性，提出了新的材料设计策略和方法。

3. 指导未来研究和创新，促进燃料电池技术商业化：文章提供了关于如何使用MIEC/TCO定制SIM新型材料的宝贵见解，针对燃料电池技术所面临的成本、广泛性、可扩展性和耐用性等障碍提出了切实可行的解决方案。这些见解有助于推动高性能、低成本的商业化燃料电池的发展，为未来研究和技术创新提供了重要的参考和路线图。

4. 鼓励跨学科合作：应对高效电荷转移和离子传输等挑战需要多学科的研究方法，涵盖材料科学、电化学、物理学和工程学等领域。本文提出了一个统一的框架来整合理论模型、实验数据和实际应用，鼓励不同领域之间的交叉合作。这种跨学科的协作对于加快能源转换和储存材料与技术的发展至关重要。

5. 引入材料科学与技术的新视野：半导体离子学和SIMs提供了一个创新的框架，重塑了传统MIEC/TCO材料，展示了如何通过材料调控实现新功能。该新视角不仅拓展了多功能金属氧化物半导体（MOS）在先进燃料电池中的应用范围，也挑战了材料科学的既定界限。文章将半导体离子材料和科学作为开发更先进多功能材料的基础，为设计下一代先进能源转换和储存技术材料提供了全新的思路和方法。

这些启示强调了SIMs和半导体离子学的潜力，通过整合不同研究领域的方法，为新材料的设计和能源技术的发展提供了强有力的理论支持和实践方向。

团队介绍

Bushra Bibi is currently pursuing her PhD degree at the School of Energy and Environment, Southeast University. Her research primarily focuses on development of semiconductor ionics and semiconductor electrochemistry for next generation energydevice applications.

Atif Nazar is currently pursuing his PhD degree at the School of Energy and Environment, Southeast University. His research primarily focuses on create and develop semiconductor ionics and semiconductor electrochemistry for next generation energydevice applications.

朱斌，东南大学教授/西安交通大学讲座教授。中国科技大学获硕士学位（1988），瑞典Chalmers理工大学，博士学位（1995），瑞典Uppsala大学，博后（1995-1998）；前瑞典皇家工学院任教授级高级研究员（1998-2018）；燃料电池/太阳能电池团队负责人，主持瑞典国家国际合作基金委（STINT Fellow），瑞典国家创新局，瑞典国家能源局，瑞典国家研究理事会和欧盟先进材料和燃料电池以及欧盟-中国研究网络。多次在瑞典国家组织的国际专家评审评为国际领先的研究地位。创立了半导体离子材料和半导体离子学以及在新一代能源技术的应用：发明了单部件无电解质燃料电池，半导体离子燃料电池。欧盟-中国先进燃料电池纳米复合材料研究网络发起和召集人，www.nanocofc.com 。2013年入选湖北省“百人海外英才计划”；2021年入选江苏省“双创人才计划”。自2014年起，连续10年进入中国高被引学者榜单（Elsevier 能源类），入围"全球前2%顶尖科学家榜单"。2018年WSSET（世界可持续能源技术学会）“能源创新奖”的共同获得者。

云斯宁，西安建筑科技大学，二级教授，博士生导师，陕西省中青年科技创新领军人才，陕西省“特支计划”科技创新领军人才，陕西省重点科技创新团队带头人，陕西省高等学校学科创新基地负责人，西安建筑科技大学领军教授团队负责人。入选2022年全球学者库“全球顶尖前10万科学家”榜单，在材料科学领域国内入选的2666名学者中，排名776。入选材料科学与能源领域2023年“全球前2%顶尖科学家”榜单。入选2023年“终身科学影响力排行榜”（1960-2023）和“2023年度科学影响力排行榜”。2006年11月毕业于西安交通大学，获博士学位，此后分别在韩国延世大学、美国斯坦福大学、美国加州大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室、英国里丁大学、瑞士洛桑联邦理工学院等访问、交流与学习。目前主要从事新能源材料高效和资源化利用研究，如新一代太阳能电池、燃料电池、超级电容器、生物催化、制氢、多能互补等。在Chem Sov Rev, Prog Polym Sci, Energy Environ Sci, Electrochem Energy Rev, Adv Mater, Adv Energy Mater, Adv Funct Mater, ACS Energy Lett, Appl Catal B, Nano Energy, Angew Chem Int Edit, J Mater Chem A, Chem Eng J, Small, Materials Today系列等国际期刊发表论文200余篇（IF>10的论文90余篇），Google Scholar引用次数10000+，H-因子57，先后有24篇论文入选ESI热点/高被引论文；主编/参编中、英文专著/教材9部；拥有26项国家授权专利技术。2016年获“Wiley材料学高峰论坛-西安”Highly-cited Author Award。2017年获中国国际光伏大会Best Presentation Award奖。2017-2023年，先后获陕西省科学技术进步奖一等奖、陕西省科学技术奖二等奖、陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖特等奖、陕西高等学校科学技术奖一等奖等。先后担任国际期刊International Journal of Hydrogen Energy和Renewable & Sustainable Energy Reviews客座编辑（Guest Editor）; Frontiers in Materials (IF=3.2)和Frontiers in Chemistry (IF=5.5)主题编辑（Topic Editor）。目前担任International Journal of Green Energy, Oxford Open Energy等编委；担任ESCI国际期刊Energy Materials（2023影响因子11.8）副主编；150余种主要国际SCI学术期刊的特邀审稿和仲裁专家。

Professor Jung-Sik Kim: Dr Kim is a Professor in Energy Technology at Beihang University, and he is an internationally well experienced leading engineer with a research record in electrochemical energy materials and their applicable systems. He held multiple professor positions in various UK institutes, including Loughborough University and Imperial College London prior to joining Beihang University. Prof Kim’s research interests go into characterising the level of strain kinetics and related stresses to address the means of matter transfer, and a keen developer to apply such concepts towards designing new energy devices. He invented in-situ stress measuring techniques for the powder sintering processes, and a hydrogen composition analyser based on the understanding of oxygen ion transport phenomena. He constantly supports knowledge transfer to related industries to advance their products.

文章信息

Bushra Bibi, Atif Nazar, Bin Zhu, Fan Yang, Muhammad Yousaf, Rizwan Raza, M.A.K Yousaf Shah, Jung-Sik Kim, Muhammad Afzal, Yongpeng Lei, Peter Lund, Sining Yun. Emerging semiconductor ionic materials tailored by mixed ionic-electronic conductors for advanced fuel cells. Adv. Powder Mater. 3(2024)100231.

https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100231

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100231-main.pdf

关于我们

Advanced Powder Materials（先进粉体材料（英文））创刊于2022年1月，由中南大学与KeAi合作创办，粉末冶金国家重点实验室和粉末冶金国家工程研究中心承办的粉体材料领域的学术期刊。主编是黄伯云院士和Chain-Tsuan Liu院士。致力于发表国内外粉体材料领域及其交叉学科具有原创性和重要性的最新研究成果。

l 坚持高质量办刊，审稿原则“高效、双盲、严格”

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