质子导电陶瓷燃料电池（PCFC）是一种工作于450~700°C的中温型燃料电池，其在工况条件下将氢气转换为水并产生电能，具有能量转换效率高、产物无污染、无需贵金属催化剂等优点。当前，限制PCFC实用化的瓶颈之一在于缺乏与PCFC的运行机制相匹配的高性能氧电极材料，而PCFC的氧电极需兼具质子和空穴混合导电性，以使整个电极表面呈氧还原反应活性。另一方面，PCFC氧电极材料中通常存在氧离子、质子、空穴的混合传导，如何将微弱的质子电导率与高出数个数量级的空穴电导率分离，也是该领域的极具挑战性的研究课题。
近日，苏州大学韩东麟教授团队与京都大学Toyoura Kazuaki副教授、挪威奥斯陆大学Truls Norby教授合作，结合实验表征、理论计算、缺陷化学的理论分析，系统研究了Ruddlesden-Popper（RP）型阴极材料La2NiO4+δ和La2-xAxNiO4+δ（A = Ca, Sr, Ba）中的质子导电特性。结果表明，在250~300°C的温度区间内，质子电导率随着温度和Sr掺杂浓度增加而提高，相同掺杂浓度下，掺Ba样品的质子电导率显著高于Sr掺杂的样品（图1）。理论结算的结果揭示，上述材料中的质子以氢氧根离子形式通过push-pull机制进行迁移（图2）。因此，在RP型氧电极材料中，质子的实质载流子为氢氧根离子（OH-），表明La2NiO4+δ是空穴、氧离子和氢氧根离子的混合导体，将应用于PCFC的氧电极时，将呈现一种不同于已知模式的新型的阴极反应机制，这为进一步探索和优化RP型氧化物的混合导电机制，研发高性能的PCFC氧电极材料提供了全新的指导思路。
图1 加湿氧气（水蒸气分压：0.20 atm）下未掺杂的La2NiO4+δ（LNO）、
La1.6Sr0.4NiO4+δ（LS4N）、La1.4Sr0.6NiO4+δ（LS6N）、La1.2Sr0.8NiO4+δ（LS8N）、
La1.6Ba0.4NiO4+δ（LB4N）的质子电导率的Arrhenius图。
图2 质子传导机制示意图。
该成果最近发表于Advanced Energy Materials，论文的第一作者是苏州大学硕士研究生钟鹏；苏州大学韩东麟教授、京都大学Toyoura Kazuaki副教授、挪威奥斯陆大学Truls Norby教授为本论文的共同通讯作者。
文章链接：http://dx.doi.org/10.1002/aenm.202200392