研究背景
質子陶瓷燃料電池（PCFC）是一種新型的燃料電池技術，它利用質子導電的陶瓷材料作為電解質，通過電化學反應將燃料的化學能直接轉換為電能。這種技術具有高能效、低污染的特點，被認為是未來清潔能源領域的重要發展方向。PCFC的工作原理是將燃料（如氫氣）和氧化劑（如氧氣）分別送入電池的陽極和陰極，通過電解質進行質子交換，從而產生電流。在這個過程中，燃料在陽極發生氧化反應，產生質子和電子；質子通過電解質傳導到陰極，而電子則通過外部電路移動，為外部設備提供電力。在陰極，質子與氧化劑發生還原反應，生成水，完成整個電化學反應過程。然而，在PCECs模式下，電極反應方向發生逆轉，導致電極過電位極性改變，特別是在高電流密度條件下，使系統面臨更極端的電化學環境，從而對材料的穩定性提出了更高要求。目前，PCFCs/PCECs的主流結構采用三明治式設計，包括多孔燃料電極支撐層、致密電解質膜及薄層多孔氧電極。其中，BaCeO?基質子導體（如BCZYYb）因其在300–600°C下的高質子電導率和較好的PCFC穩定性而受到廣泛關注。然而，該材料在PCECs條件下，尤其是高蒸汽分壓環境中，表現出較差的化學穩定性，易與CO?或H?O發生反應，導致結構劣化。此外，Ce基材料的電化學還原穩定性較差，影響了PCECs的長期耐久性。因此，尋找兼具高質子電導率和優異化學穩定性的電解質材料成為該領域的重要挑戰。 為了解決這些問題，美國愛達荷國家實驗室丁冬、美國麻省理工學院李巨、美國新墨西哥州立大學羅紅梅、清華大學董巖皓團隊合作在“Nature Synthesis”期刊上發表了題為“Sintering protonic zirconate cells with enhanced electrolysis stability and Faradaic efficiency”的最新論文。該團隊突破了BaZrO?基質子導體的燒結瓶頸，成功制備了無Ce、無燒結助劑的BaZr?.?Y?.?O??δ（BZY）電解質，并將其壓力無助燒結溫度降低至1450°C。該方法避免了傳統BZY材料因高溫燒結導致的Ba揮發及NiO副反應問題，同時提升了電解質膜的致密度和質子導電性能。利用優化后的BZY材料，研究團隊構建了全BZY結構的PCECs，并在高蒸汽分壓條件下實現了遠超文獻報道的高電解性能。該研究不僅為高性能PCECs提供了可行的材料解決方案，同時強調了在極端條件下進行電化學能量轉換時，材料穩定性與活性之間的平衡策略，為耐久性電化學器件的開發提供了新的思路。
研究亮點
(1) 本研究首次實現無燒結助劑的 BZY 電解質低溫燒結（1,450°C），獲得了高質密度的 BZY 薄膜，并應用于高蒸汽分壓電解池。 (2) 研究通過優化燒結工藝，有效降低了 BZY 的燒結溫度，同時避免了燒結助劑引入的質子陷阱和電阻性晶界相，提高了 BZY 電解質的質子電導率。(3) 在高蒸汽分壓條件下，BZY 電解質表現出優異的化學穩定性，相比傳統富 Ce 鈣鈦礦材料，能有效抵抗酸性環境（H?O 和 CO?）腐蝕，并減少燃料電極側的還原不穩定性。(4) 組裝的 BZY 全電池在高蒸汽壓力電解模式下表現出優越的電化學性能，其性能遠超以往文獻報道的同類體系，驗證了 BZY 作為高性能 PCEC 電解質的潛力。
圖文解讀
圖4.具有超薄電解質的BZY-5全電池的電化學性能。
結論展望
本文通過重新設計 BZY 全電池的結構，作者解決了致密 BZY 膜的燒結難題，并釋放了 BZY 基 PCFCs/PCECs 在高電流密度、高蒸汽分壓電解條件下的優異電化學性能和穩定性。改進后的質子型鋯酸鹽電池在氫氣及化學品制備方面表現出巨大潛力，兼具適中的熱預算和嚴苛但高效的電化學運行條件。作者的研究強調了工藝創新（如協同燒結）在充分發揮材料本征優勢、實現特定應用中的關鍵作用。 Tang, W., Bian, W., Ding, H. et al. Sintering protonic zirconate cells with enhanced electrolysis stability and Faradaic efficiency. Nat. Synth (2025). https://doi.org/10.1038/s44160-025-00765-z
