| chenshuuu |
2016-06-21 11:29 |
近三年，钙钛矿型材料在光电化学领域大放异彩。其太阳能电池的能量转换效率一路飙升，2011年只有6.5%，2013年底就已经提升至了15.4%，这一数据在2015年更是刷新至19%，并且还在继续升高，一颗材料领域的新星冉冉升起。
最近，美国哈佛大学的You Zhou和Shriram Ramanathan等人另辟新径，探究钙钛矿型材料在燃料电池领域的应用。（Strongly correlated perovskite fuel cells. Nature, 2016, 534, 231-234, DOI: 10.1038/nature17653）
图片来源：Harvard University
固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。一般氧化物固体电解质通常为萤石结构的氧化物，常见的电解质有Y2O3掺杂的ZrO2、ThO2、CeO2和Bi2O3等氧化物形成的固溶体。钙钛矿型材料指的是形如ABO3结构，文章作者改变了传统燃料电池电解质的设计（通过O2-传导），合成了NiO3（SNO）作固体电解质，运用镍酸盐传导质子，完成燃料电池（上图右侧a，九个基于SNO的燃料电池）的反应：
文中，作者根据格罗特斯机理（Grotthuss mechani）来解释，质子（H+）在NiO3固体电解质中转移扩散，同时造成晶格的拉伸和弯曲变形（如下图a-c）。其显著优点是，在较低温度下（300–500 °C），材料依然具有很高的电阻率（~1 mΩ cm），可以实现SNO和H-SNO之间的转换，达到质子迁移的目的（如下图d-e）。
随后，作者通过Pt/SNO/Pt固体氧化物燃料电池，测试了该钙钛矿型电解质电化学性能，其开路电压可以达到1.03V，接近其理论值(~1.07 V)。
文章的另一大亮点是通过X射线吸收近边谱（X-ray absorption near-edge spectroscopy，XANES，听着就好高大上，有木有！）和原位X射线衍射（in situ XRD）验证了SNO和H-SNO之间的转换机理，机理解释一直是在好杂志上发表文章的杀手锏，有机理，才无敌~（小编表示，当年我要是有这两台设备，也一定能发出好文章……）
作为第一篇将钙钛矿型材料用于固体氧化物燃料电池的电解质，并有详细机理证明的文章，发《Nature》还是很能为我们突破思路的，让我们一起期待钙钛矿型材料的更广泛应用。
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