上海交通大学利用钙钛矿型质子导体的等动力温度优化质子电导率

近日，上海交通大学密西根学院副教授陈倩栎课题组在国际知名期刊《Advanced Energy Materials》上发表其最新研究成果《Optimizing the Proton Conductivity with the Isokinetic Temperature in Perovskite-Type Proton Conductors According to Meyer–Neldel Rule》（根据Meyer-Neldel 规则利用钙钛矿型质子导体的等动力温度优化质子电导率），论文为通过调控晶格振动提高低温下质子导体陶瓷的电导率提供了理论依据。陈倩栎与北京高压科学研究中心杨文革教授为论文的共同通讯作者，密院博士研究生杜朋为论文第一作者，北京高压科学研究中心李娜娜博士、密院博士后凌霄、硕士生范志君、瑞士联邦材料科学与技术研究所Artur Braun博士和加拿大蒙特利尔理工学院Arthur Yelon教授共同参与了研究工作。

固体氧化物燃料电池是一种将燃料（氢气、天然气等）从化学能直接转化为电能的电化学装置，具有能量转化效率高、清洁环保等优点。目前固体氧化物燃料电池工作温度普遍较高（700-1000°C），对燃料电池组件材料的耐高温性和稳定性提出了严苛要求。如果以质子导体为燃料电池电解质材料，有望将燃料电池工作温度降至450–700°C，可大大降低固态燃料电池的生产成本，推动能源结构改革。但是，质子导体燃料电池的产业化应用仍需进一步提高其质子电导率。陈倩栎团队通过对质子导体中质子传导机理的研究，为设计具有高质子传导性的新型钙钛矿材料提供了理论依据。

质子的扩散需要克服一个能量势垒，称为活化能。人们普遍希望通过降低活化能来提高质子电导率。陈倩栎团队发现，质子导体的电导率变化遵循Meyer-Neldel规则。这个规则表现为一个补偿原则，即当质子传导活化能降低时，电导率公式中的指前因子也会相应降低，导致活化能降低对电导率产生的优化作用减弱，这是人们不希望看到的。陈倩栎团队进一步发现，当改变材料结构引起活化能变化时，不同活化能的电导率曲线相交于一个等动力温度。在此温度下，质子电导率的值与活化能无关，只与材料本身性质有关。通过对等动力温度与材料结构之间联系的深入研究，陈倩栎团队提出通过材料结构设计调控晶格振动频率，进而实现所需的等动力温度，提高低温下的质子电导率。该论文提出的材料设计准则将推动质子导体新材料的研发和质子器件的应用。

来源：上海交通大学