基于半导体-离子导体异质结构复合材料隔膜的燃料电池基础研究

This proposal aims at solutions for material and technological challenges of solid oxide fuel cells (SOFC). Based on the research of the electrolyte-free fuel cell (EFFC) and nanocomposite advanced fuel cell, we design and synthesize novel functional semiconductor-ionic heterostructure composite materials from the theories of both semiconductor physics and ionics, and study the physical and chemical properties of the materials (e.g. conductivity, conduction types, electrochemical properties, energy band structure, heterostructure and interfaces characteristics) for developing new generation semiconductor-ionic fuel cells: material, technology and device. We will study the relationship between the device microstructure, physical- (electro-) chemical properties and the resulting device performances. A systematical comparison between the conventional ionic conducting electrolyte based anode/electrolyte/cathode three layer fuel cell and the new functional semiconductor-ionic devices will be performed to understand the new working principles and establish scientific mechanisms, with a target of high electrochemical performance (>1W/cm2 at 550 oC) for applied energy devices. The semiconductor-ionic composite materials possess high ionic conduction, simple synthesis technology and low cost. We believe that this proposed research will guarantee strong material development and technological application for new generation energy conversion devices and also deep the semiconductor-ionic science and theory.

本项目针对固体氧化物燃料电池（SOFC）面临的材料和技术的挑战提出解决方案。在无电解质隔膜燃料电池和纳米复合先进燃料电池的工作基础上，从半导体物理学和离子学双重角度设计与合成半导体-离子导体异质结构复合功能材料，深入研究材料的物理化学特性（导电类型与电导率、电化学活性、能带结构、界面和异质结构和性能），构筑新型的半导体离子燃料电池，探讨微观结构、化学性质和物理、电化学性能的构效关系，研究从传统离子电解质为核心的阳极/电解质/阴极三层结构燃料电池到半导体-离子导体复合材料隔膜的半导体离子器件的科学机制和工作原理，实现高性能（>1W/cm2, 550 ℃）的应用能源器件。半导体-离子导体复合材料具有高离子电导率，材料合成简单廉价，本项目的实施将为新一代能源转化器件的实用奠定材料与工艺基础，也为新的半导体离子学学科奠定理论基础。

从半导体物理学和离子学双重角度设计与合成半导体-离子导体异质结构复合功能材料，深入研究材料的物理化学特性（导电类型与电导率、电化学活性、能带结构、界面和异质结构和性能），半导体-离子导体复合材料具有高离子电导率，材料合成简单廉价。业已发现和发展了多类半导体离子新型功能材料，如 单相同质异性的核-壳结构的CeO2，和钙钛矿SrTiO3基材料；半导体离子异质复合结构，典型的为离子掺杂氧化铈和传统优良的钙钛矿阴极材料；半导体-半导体和半导体-绝缘体异质界面复合结构材料。构筑并成功示范了新型的半导体离子燃料电池，取得了优异性能>1000mW/cm2, 500-550℃。探明微观结构、化学性质和物理、电化学性能的构效关系，研究从传统离子电解质为核心的阳极/电解质/阴极三层结构燃料电池到半导体-离子导体复合材料隔膜的半导体离子器件的科学机制和工作原理的应用能源器件。不同于传统陶瓷燃料电池如固体氧化物和质子陶瓷燃料电池的电解质其离子的传导是通过结果掺杂产生氧空位的体传导机制，我们成功设计和构建离子的表面和界面传输的快速通道，特别是表面工程包括表面掺杂和体掺杂对表面和异质界面的修饰，表面包覆等，同时利用半导体表面和界面的能带重构产生内建电场（BIEF）或者局域电场促进或加深离子的迁移。发现半导体异质结构BIEF增强离子输运是半导体离子新型功能材料的电子离子耦合和协同输运现象的证明和深入科学机制。探明其显著效应：i）高BIEF电场强度能激活离子，降低离子扩散能；ii）诱导激发更多的可动离子，增加其浓度，正比于离子电导率的增强；iii）对可动离子提供额外的驱动力，以加快离子输运，为超离子导电创造了条件。本项目的实施为新一代能源转化器件的实用奠定材料与工艺基础。我们在这个研究领域引领半导体离子学和半导体电化学的前沿研究，形成了半导体离子学和燃料电池半导体电化学的方法论和指导思想，为发展新一代能源转化和存储技术提供新思路和新方法。