理论教育 高温下的钙钛矿型氧化物对质子的导电性优化方案

高温下的钙钛矿型氧化物对质子的导电性优化方案

时间:2023-06-30 理论教育 版权反馈
【摘要】:高温情况下,钙钛矿型氧化物溶解水蒸气中的质子,并且在某些情况下可能变成质子导体。这个最高值一般会在800℃的时候被发现,并且对于最好的Ba基钙钛矿构成的电导率为10-2S/cm,偏低于Sr基的钙钛矿,并且10-3低于不含Ba的钙钛矿。受体掺杂钙钛矿中的质子导电性的进展依赖于材料的研发,该材料具有更好的化学稳定性、更高的掺杂水平、结构优化带来的更高的质子移动性、掺杂质子缔合能以及对晶界阻力的理解和最小化。

高温下的钙钛矿型氧化物对质子的导电性优化方案

高温情况下,钙钛矿型氧化物溶解水蒸气中的质子,并且在某些情况下可能变成质子导体。受体掺杂的使用增加了质子浓度,除了这些质子的流动性,以干燥状态下积极的缺陷为代价,合并有效的正质子缺陷的热力学,是决定质子导电性关键参数。在氧化物中,钙钛矿展示出最高的质子移动性,并且水化热力学也随着B位和A位阳离子电负性区别的减少而变得更加有利(放热的)。

因为迁移率和脱水的协同,质子导电性经常随着温度的升高经历一个最高值。这个最高值一般会在800℃的时候被发现,并且对于最好的Ba基钙钛矿构成的电导率为10-2S/cm,偏低于Sr基的钙钛矿,并且10-3低于不含Ba的钙钛矿。不幸的是,最好的质子导体不具有化学稳定性、并且易受二氧化碳侵害。它们也受到高的晶界电阻的影响。

受体掺杂钙钛矿中的质子导电性的进展依赖于材料的研发,该材料具有更好的化学稳定性、更高的掺杂水平、结构优化带来的更高的质子移动性、掺杂质子缔合能以及对晶界阻力的理解和最小化。

在本章中,我们研究了水合作用的缺陷化学和热力学。此外,我们特别关注了内在的(而非受体掺杂)的缺氧系统和它们在有序和无序状态下的水合作用。最后,我们已经讨论了由这样的水合作用生成的氢氧化合物,并认为全新的更好的质子导体取决于理解怎样去稳定、无序、掺杂,并总体上控制这些氢氧化物的缺陷化学。(www.daowen.com)

比起氧化物离子导电的SOFC,基于质子导体的燃料电池,具有明确的潜在优势,钙钛矿构成了我们最好的质子导体类。然而到目前为止,确定稳定的高质子导电材料的困难限制了此类燃料电池性能的展示,陶瓷质子导电燃料电池的商业化离我们还有一定的道路。

致谢:在此,作者希望对于这些年来,对于本章的完成给予付出和帮助的奥斯陆大学的同仁和学生致以诚挚的谢意。同时,我同样感激从挪威科研理事会和奥斯陆大学/FUNMAT@UiO资助的项目中所获得的支持。

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