近日，我院内蒙古自治区半导体光伏技术与能源材料重点实验室朱成军教授课题组在国际顶级期刊《Advanced Science》（《先进科学》SCI一区，IF 14.3，全文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202401130）上发表题为“Observation of Fast Low-Temperature Oxygen Ion Conduction in CeO2/β"-Al2O3 Heterostructure”的研究论文。该工作引入了一种CeO2/β"-Al2O3异质结构电解质，该电解质通过引入绝缘体β"-Al2O3到离子导体CeO2，利用异质界面产生的局域电场（LEF）以及β"-Al2O3的Na+和Mg2+降低了碳酸盐/氢氧化物（C/H）的熔点温度，该设计成功地在350 ℃下保持了氧离子的快速界面传导。这项研究为在300-600 ℃的低温范围内进一步开发高性能半导体离子燃料电池提供了一种有前景的方法。
近年来，人们对利用含有Ni0.8Co0.15Al0.05LiO2（NCAL）电极和半导体离子材料作为电解质的半导体离子燃料电池（SIFCs）的研究愈发广泛，SIFCs的迅速发展推动了固体氧化物燃料电池（SOFC）的低温化进程。然而，SIFCs进一步低温化研究面临的一个重要的障碍是熔融衍生物Li2CO3/LiOH在419 ℃以下的固化问题，致使SIFCs在400 ℃以下的工作温度界面传导失效而无法正常工作。为了解决以上问题，我们提出了一种新型的CeO2/β"-Al2O3异质结构，在异质结构复合电解质的内部，两相材料会由于带隙的差别而致使电子电荷差分分布从而形成局部电场（LEF）。与此同时，β"-Al2O3引入的Na和Mg等元素，会在燃料电池的测试环境下形成熔点为353.5 ℃的熔融态碳酸盐/氢氧化物（C/H）。异质界面上的分布的热熔融C/H确保了LEF加速的氧离子的快速界面传导。基于这种协同相互作用，在350-550 ℃的测试温度下，CeO2/β"-Al2O3异质结构电解质表现出0.019-0.197 S/cm的高离子电导率，其电池器件表现出85.9-1009 mW·cm-2的优秀的最大功率密度（MPD）。论文研究结果得到了多种实验分析以及密度泛函理论（DFT）计算的支持。
通过设计的优异电解质功能性，可以观察到CeO2/β"-Al2O3异质结构在350-550 ℃下的快速低温氧离子电导。异质界面的快速离子电导是通过热熔融物和局部电场的协同作用实现的，为开发SIFCs的低温高性能电解质提供了理论基础。此外，我们提出的CeO2/β"-Al2O3异质结构复合电解质的设计策略可以有效地解决燃料电池低温化的高成本和技术复杂性等问题，具有广阔的工程应用前景。
半导体离子燃料电池（SIFCs）在600 °C以下的温度下表现出惊人的离子电导率和高效的发电能力。然而，复合电解质离子传导机制理解的欠缺阻碍了SIFCs向较低工作温度的发展。在这项研究中，我们设计了一种CeO2/β"-Al2O3异质结构复合电解质，该电解质结合了β"-Al2O3，并利用局部电场（LEF）以及β"-Al2O3的Na+和Mg2+降低了碳酸盐/氢氧化物（C/H）熔点温度，使SIFCs成功地在350 °C下保持了氧离子的快速界面传导。
实验结果表明，燃料电池装置在350 °C下实现了0.019 S/cm的卓越离子电导率和85.9 mW/cm2的功率输出。该系统在550 °C下达到了1 W/cm2的峰值功率密度和0.197 S/cm的超高离子电导率。通过TG和TPD/MS分析，C/H络合物的熔融状态作为异质界面上快速离子传输的阀门，在350 ℃显著提高了SIFCs的电化学性能。熔融的C/H作用保障了电解质内部的界面离子传导，但复合材料界面处的熔融的C/H络合物转变为凝固态时，SIFC将失去其工作能力。这项研究为在300-600 °C的低温范围内进一步开发高性能半导体离子燃料电池提供了一种有前景的方法。
a. CeO2/β"-Al2O3电解质固体氧化物燃料电池的示意图。其中白色颗粒为β"-Al2O3，蓝色颗粒为CeO2，黄色发光部分为C/H复合物质。b. CeO2/Al2O3燃料电池及其运行机理示意图。 c. 氧离子在CeO2/β"-Al2O3异质结构界面上的吸附距离为2.44 Å，CeO2晶格与（111）面的吸附距离为2.28 Å。d. 传统复合电解质（左）和CeO2/β"-Al2O3电解质（右）在异质界面上的氧离子迁移原理。
朱成军教授为该论文的通讯作者，中山大学光电材料与技术物理学院国家重点实验室庄琳副教授为论文的共同通讯作者，内蒙古大学物理科学与技术学院物理学博士研究生张英博和朱德才分别为该论文的第一作者和共同第一作者，物理科学与技术学院赵忠龙副教授为重要参与作者。论文以内蒙古大学为第一通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金(620641010)、内蒙古科学技术研究院产业技术创新项目（2023JSYD01002）和内蒙古自治区科技计划项目（2023KYPT0012）等项目的支持与资助。
【通讯作者简介】
朱成军：内蒙古大学物理科学与技术学院 教授，博士生导师，内蒙古自治区半导体光伏技术与能源材料重点实验室主任。人选内蒙古新世纪321人才工程，获内蒙古高等教育教学成果一等奖（7/9）。主持国家自然科学基金项目3项；主持内蒙古科技创新引导、科技攻关、重点研发与成果转化及重点实验室重大项目等省部级项目8项。至今已在ACS Nano, Advanced Science, Chemical Engineering Journal, Applied Physics Letters, Energy Conversion and Management, J. Power Sources, ACS Appl. Mater. Interfaces等国际著名期刊发表SCI学术论文70余篇，授权中国发明专利3件。近年来主要从事与新兴能源相关的半导体光电材料制备与器件制作方面的研究工作。目前主要研究方向包括：1.低温固体氧化物燃料电池；2. 铜基薄膜太阳能电池；3. 钙钛矿薄膜太阳能电池。
【第一作者简介】
张英博：2019级物理学博士研究生，主要从事高性能半导体离子膜燃料电池的低温化研究。在读期间参与设计与搭建低温燃料电池测试装置；完成a-Al2O3/CeO2异质结构复合电解质的设计；β"-Al2O3/CeO2低温高性能异质结构复合电解质的设计与导电机制研究；验证了熔融氢氧化物与局域电场对电解质离子电导率的协同促进作用。发表SCI学术论文6篇，其中以第一作者及共同第一作者发表SCI学术论文3篇（ACS Appl. Mater. Interfaces，Adv. Sci., Chem. Eng. J. 当年总影响因子39.8）授权发明专利2件。
朱德才：2022级物理学在读博士研究生，主要从事低温半导体离子膜燃料电池电极及电解质的改性研究。在读期间进行LiNi0.8Co0.15Al0.05O2-δ电极的改进研究；实现了低温下超高的电化学性能和良好的长期稳定性；搭建了弛豫时间分布（DRT）环境，进一步验证电化学阻抗（EIS）。以一作或共同第一作者发表SCI学术论文4篇；授权发明专利2件。
