固态燃料电池中使用的氧化物离子导体在低于500°C的温度下运行时通常无法充分发挥潜力，但东京工业大学的研究人员最近找到了解决此问题的方法。他们在具有三层萤石状层的含铋Sillén卤氧化物中表现出高电导率和稳定性(例如，431oC时为10mS/cm;310oC时的电导率比传统导体高204倍)。
与其他类型的燃料电池相比，固体氧化物燃料电池(SOFC)以其高效率和更高的安全性而闻名。SOFC性能的关键因素之一是固体电解质：氧化物离子导体。其优异的电化学性能使其不仅成为SOFC应用的理想电解质，而且也成为固体氧化物电解槽电池(SOEC)、传感器和氧气分离膜的理想电解质。
尽管氧化物离子导体具有显着的优点，但常用的氧化物离子导体(例如氧化钇稳定氧化锆(YSZ))需要1000−700oC的极高工作温度。长期而言，如此高的温度可能会损害SOFC的性能。为了防止降解，需要使用昂贵的耐热合金，这自然会增加SOFC的生产成本。此外，缺乏在500oC以下电导率达到10-2Scm-1的稳定氧化物离子导体。
为了弥补稳定氧化物离子电解质与较低工作温度之间的现有差距，由MasatomoYashima教授领导的东京工业大学(TokyoTech)的研究小组最近将注意力转向了Sillén卤氧化物。
在《美国化学学会杂志》的最新研究中，他们合成了一系列含铋(Bi)的Sillén卤氧化物，并研究了它们的电学和结构特性。“我们选择含有Bi物质的材料，因为众所周知，它们表现出高氧化物离子电导率。此外，母体材料Sillén卤氧化物具有带有间隙氧位点的三重萤石状层，这可能导致间隙氧化物离子扩散，”Yashima说。
在这项研究中，研究人员合成了分子式为Bi2−xTexLuO4+x/2Cl(x=0、0.1和0.2)的Silén氯氧化物。
该团队对Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl的实验表明，在431o的低温下，其体电导率高达10mS/cm(=0.01Ω-1cm-1)，这是燃料电池实际应用的标准。C比传统材料YSZ(氧化钇稳定氧化锆)的644oC低。Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl在310℃的低温下也表现出1.5×10-3Scm-1的高体电导率，比YSZ高200倍以上。
这种行为归因于低活化能。使用中子衍射实验、DFT计算和分子动力学模拟进行的进一步分析表明，由于Sillén氯氧化物的三重萤石状层中存在间隙氧离子扩散，因此出现了低活化能和高电导率。
除了优异的氧化物离子电导率外，Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl在431°C下还表现出与氧分压无关的高电导率，这表明电解质域的存在。它还在400°C的CO2流以及600和400°C的环境空气下保持高化学稳定性。
这项研究的结果表明，Sillén卤氧化物的三重萤石状层可用于在低于500°C的温度下开发高离子导体，解决了氧化物离子导体长期存在的问题。Bi1.9Te0.1LuO4.05Cl的高离子电导率和化学稳定性可能为开发具有三重萤石状层的优质氧化物离子导体开辟新途径。
“固体氧化物燃料电池作为新时代能源被广泛接受，但由于其工作温度较高，成本较高。通过这项研究，我们开发了新型氧化物离子导体，可以显着降低工作温度并减少燃料消耗。”他们的成本，”Yashima总结道。