新型氯氧化物有高穩定性和氧離子傳導率

 固體氧化物燃料電池（SOFC）是解決當前迫在眉睫的全球能源危機問題極具前景的方案。SOFC具有高效率、低排放和低運行成本，是無化石燃料社會的理想能源來源。

 採用釔安定的氧化鋯（YSZ）電解質的傳統SOFC具有高運行溫度（700°C-1000°C），由於受到其衰退問題和高成本的限制，因此，需要尋找在低溫（100°C-300°C）下的高離導率和穩定性的新材料。含鉍（Bi）的材料透過傳統的氧空缺傳導機制表現出高氧離子導電率，但在還原氣氛下不太穩定。另一種透過原子間隙的離子傳導擴散機制則成為受到廣泛關注的替代方案，然而其在含鉍材料卻少被觀察到。

 由東京工業大學（Tokyo Tech）的Masatomo Yashima教授領導的日本研究團隊找到這些問題的解決方案。在他們最近在《先進功能材料》上發表的突破性研究中，該團隊報告了一種新的含鉍化合物LaBi_1.9Te_0.1O_4.05Cl，其中氧離子通過間隙擴散機制遷移。該團隊證明，LaBi_1.9Te_0.1O_4.05Cl表現出高穩定性和高氧離子導電率，甚至比低溫（低於201°C）下最好的氧離子導體的導電性能更優異。

 當被問及該團隊如何能夠發現LaBi_1.9Te_0.1O_4.05Cl時，Yashima教授解釋說：“大多數已知的含鉍材料通過傳統的空位擴散機制表現出高氧離子導電率。涉及間隙擴散的替代機制在這些材料中很少見。因此，我們專門尋找具有間隙氧位點的含鉍材料，以實現間隙擴散。

 間隙氧位置是指氧化物離子部分佔據的晶體結構內的空白空間。 Yashima 教授的小組選擇了一種含鉍的 Sillén 氯氧化物 LaBi₂O₄Cl，它具有三種類螢石層，以確保存在這種間隙氧位點。 然後，他們在 Sillén 相 LaBi₂O₄Cl中用高價摻雜劑碲 (Te) 陽離子 Te⁴⁺ 部分取代 Bi³⁺ 陽離子，以增加 LaBi_2–xTe_xO_4+x/2Cl 中間隙氧原子 (x/2) 的數量。然後選擇化學成分 LaBi_1.9Te_0.1O_4.05Cl（LaBi_1–xTexO_4+x/2Cl 中的 x = 0.1）進行詳細的實驗和計算研究，因為 LaBi_1.9Te_0.1O_4.05Cl 的電導率是其中最高，LaBi_2–xTe_xO_4+x/2Cl (0 ≤ x ≤ 0.2)。

  該團隊發現，LaBi_1.9Te_0.1O_4.05Cl 在 400°C 下在 10-25 至 0.2 atm 的寬氧分壓範圍內表現出高化學和電穩定性，以及在CO2、含有濕H₂和N₂，和具有自然濕度的空氣中的高化學穩定性。 此外，LaBi_1.9Te_0.1O_4.05Cl 在 702°C 下表現出 2.0 × 10^-2 S cm^-1 的高氧化物離子電導率。 在 96°C–201°C 的溫度範圍內，該材料的體積電導率明顯高於 Bi₂V_0.9Cu_0.1O_5.35 等最佳氧化物離子導體。

 研究人員透過中子衍射實驗、計算分子動力學模擬和密度泛函理論計算，證實該材料的高氧離子傳導率是通過空位擴散機制實現的，並且是Bi-containing Sillén oxychloride中罕見的機制。此外，研究人員還研究了該材料的化學穩定性和電氣穩定性。該發現有望為低溫高性能SOFC電解質的研究開啟新的方向，為未來能源轉型提供更可靠的能源解決方案。

 圖片來源：東京工業大學