清華新聞網(wǎng)4月3日電 陶瓷質(zhì)子膜燃料電池和電解池是未來氫能經(jīng)濟的關(guān)鍵技術(shù)，能夠在300至600攝氏度的中溫區(qū)提供高效能量轉(zhuǎn)換和電化學合成。陶瓷質(zhì)子膜是其核心材料，能夠在水合后提供高質(zhì)子電導率，作為固態(tài)電解質(zhì)材料構(gòu)筑燃料電池和電解池器件。然而，傳統(tǒng)的鈰酸鋇基電解質(zhì)（如BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3?δ）在高電解電流密度、高水蒸氣分壓及酸性氣氛下易發(fā)生化學腐蝕和電化學衰減，限制了其在苛刻工況條件下的應(yīng)用。鋯酸鋇基電解質(zhì)（如BaZr0.8Y0.2O3?δ）具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，但長期存在燒結(jié)溫度高、燒結(jié)助劑降低性能等問題，高致密度電解質(zhì)陶瓷和高性能電化學器件的制備是亟需突破的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

基于上述背景，清華大學材料學院董巖皓助理教授與合作者美國新墨西哥州立大學羅紅梅教授、美國麻省理工學院李巨教授和美國愛達荷國家實驗室丁冬研究員提出了基于高活性支撐層燒結(jié)應(yīng)力輔助的多層共燒技術(shù)，通過支撐層、過渡層和質(zhì)子膜中氧化鎳第二相和鈰摻雜濃度的一體化設(shè)計，首次在1450攝氏度實現(xiàn)了無燒結(jié)助劑、高致密度鋯酸鋇基質(zhì)子膜和高性能電化學器件的制備（圖1）。研究表明，鋯酸鋇基質(zhì)子膜燃料電池和電解池具有優(yōu)異的電化學性能和穩(wěn)定性（圖2），能夠在450至600攝氏度、0.5至0.7個大氣壓的高水蒸氣分壓和0.5至2.0安培每平方厘米的高電解電流下展現(xiàn)出高法拉第效率和優(yōu)異的穩(wěn)定性，相較于傳統(tǒng)的鈰酸鋇基電解質(zhì)優(yōu)勢明顯。鋯酸鋇陶瓷燒結(jié)技術(shù)的突破，有望為高功率密度陶瓷質(zhì)子膜燃料電池和極端工況電解池的研發(fā)與應(yīng)用提供有力支撐。

圖1.鋯酸鋇基陶瓷質(zhì)子膜多層共燒技術(shù)

圖2.鋯酸鋇基陶瓷質(zhì)子膜電池具有優(yōu)異的電解穩(wěn)定性

相關(guān)研究成果以“高電解穩(wěn)定性和法拉第效率的鋯酸鹽質(zhì)子膜電池燒結(jié)技術(shù)”（Sintering protonic zirconate cells with enhanced electrolysis stability and Faradaic efficiency）為題，于3月14日在線發(fā)表于《自然·合成》（Nature Synthesis）。

美國愛達荷國家實驗室唐威博士、邊文娟博士和美國俄克拉荷馬大學丁漢平助理教授為論文共同第一作者，董巖皓、羅紅梅、李巨和丁冬為論文共同通訊作者。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s44160-025-00765-z

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