[00113801]面向高效能量转化的混合氧离子导体材料的构效关系及性能调控

本项目属于化工与材料交叉领域高效能量转化的前沿研究课题。基于高温导电陶瓷的固体氧化物燃料电池（SOFCs）是目前新能源研究的热点,而具有高性能的混合氧离子电子导体材料是实现其应用的关键。目前存在的瓶颈是现有材料难以同时满足对材料的氧离子电子导电率,结构化学稳定性及机械性能的苛刻要求。本项目通过深入研究材料构效关系的基本规律,阐明了氧离子电子导电率、热膨胀、CO2中毒等性质与材料组成及结构的本质关系,进而指导优化材料组成实现对其性能的有效调控,成功设计及制备出若干具有优异性能的材料,将SOFCs的操作温度拓展到600℃以下。以上成果的取得为混合导体材料在新能源中的应用奠定了坚实的理论基础,具有十分重要的现实意义。主要创新成果表现如下： 1.将混合导体透氧膜的表征技术应用到SOFCs阴极材料的表征和定性评价上来,如采用程序升温技术氧脱附技术来表征氧的体相迁移、氧空穴浓度和体相金属的变价上来;采用氧渗透量测定的方法来表征混合导体材料的氧体相扩散系数和表面交换过程,建立了相关数学模型,首次并将此技术用于氧还原电极的定量表征上来。 2.综合应用固态离子学、结构化学和电化学等多学科基本理论与方法,通过对钙钛矿材料的电子和离子电导率与材料的氧空穴浓度和B位离子的金属变价及电子自旋状态关系的深入研究,首次系统提出了对SrCoOx,BaCoOx系列材料的B位掺杂少量不变价金属离子如Sc3+,Zr4+,Ce4+等来有效稳定立方钙钛矿结构,同时保持材料的高氧空穴浓度,进而大大提高相关材料的透氧能力和电极的低温活性。 3.深入研究材料的稳定性、离子导电率和材料的离子缺陷的内在联系,提出了采用A,B位离子非计量比的钙钛矿型阴极材料和具有二维离子传输路径的金属离子有序化的双钙钛矿型混合导体材料,使得材料对CO2的抗中毒能力和长时间操作稳定性得到显著提高。 4.对阴极与电解质的相反应进行深入研究,并首次在SOFCs中引入了有利的界面反应的概念,通过设计电极的材料组成使得界面反应大大提高了电极对氧的低温活化性能。 本项目在Chem Commun.,Acta Mater.等国际期刊上发表SCI收录论文69篇,其中影响因子3.0以上论文42篇。所有论文被Chem.Soc.Rev.,Adv.Mater.和J.Am.Chem.Soc.等杂志他引743篇次（SCI）,单篇最高他引63篇次,10篇代表作他引355篇次,其中J.Membr.Sci.,291（2007）148～156,J.Membr.Sci.306（2007）318～328被中国科学技术信息研究所分别评为2007和2008年度中国百篇最具影响国际学术论文（见附件）,Acta Mater.56（2008）4876～4889,Acta Mater.56（2008）2687～2698同时被该杂志评为2006～2010年度“Top 50 Highly Cited Articles By Chinese Mainland Authors”（见附件）。共申请相关中国发明专利8项,其中7项已授权。由于本项目的重要影响,项目第一完成人获得了江苏省六大人才高峰（2007）,江苏省第四批333工程第二层次（2011）,霍英东青年基金（2007）,教育部新世纪优秀人才计划（2008）和国家杰出青年基金（2010）等人才基金的资助,在国内国际学术会议上多次做邀请报告,为第14、15届全国固态离子学术会议暨国际能量存储与转化技术论坛组织委员,12届亚洲固态离子学术委员会成员,和J.Am.Chem.Soc.,Angew.Chem.Int.Ed.等近50杂志的审稿人,并被聘为澳大利亚Curtin大学的兼职教授。