新型SrSiO3基固体电解质的性能优化和氧离子传导机制研究

The newly discovered SrSiO3-based solid oxide-ion conductor is one of the most promising candidates for the electrolyte of the next generation,intermediate- and low-temperature solid oxide fuel cells. In this project, we propose to investigate systematically these SrSiO3-based solid oxide-ion conductors. We will first synthesize a series of doped SrSiO3 samples with various dopants having different ionic radius,valence, and coordination preferences with an aim to further improve its oxide-ion conductivity, especially at low-temperature regions. Then we will try to clarify its underlying mechanism of oxide-ion conduction by comparing the conductivity of different dopant samples with the helps of microscopic probes and the possible anisotropic conductivity from single-crystal samples. The outcomes of this project would no doubt lay a solid foundation for the future applications.

最近发现的SrSiO3基氧离子导体是一类非常有潜力的下一代中、低温固体氧化物燃料电池的候选电解质材料。本项目计划对SrSiO3基固体电解质进行系统的实验研究，通过改变掺杂离子的半径、浓度、价态、配位数等进一步优化其性能，在尽量低的温度范围内获得尽可能高的氧离子电导率；通过对比不同掺杂离子造成的电导率变化，结合微观的探测手段和单晶样品的各向异性氧离子导电率，澄清氧离子传导的内在机制，为下一步实际应用奠定坚实的基础。

基于SrSiO3的固体电解质被报导是一类新型的氧离子导体，在500 °C的低温区可以达到10-2 S/cm，为实现中低温SOFC提供了可能，吸引了大量科研人员的注意。本项目的研究目标是通过有策略的化学掺杂进一步优化其性能，在较低的温度范围内获得较高的氧离子电导率。我们采用高温固相合成方法合成了系列掺杂样品，通过X射线粉末衍射确定了掺杂样品的晶体结构，尽管经过反复多次氧离子电导率测试，但是并没有发现如文献报导的高电导率。与此同时，文献中也报道了类似的结果，表明Na/K掺杂的SrSiO3材料实际上是无定形Na2Si2O5与结晶SrSiO3的混合相，具有离子传导性能的是无定型Na2Si2O5，而不是掺杂的结晶相。鉴于这种情况，我们对本项目的研究内容进行了适当调整，合成晶态和无定形态的Na2Si2O5样品,明确无定形Na2Si2O5材料具有较高的离子电导率，并实验证明其为钠离子导体，而非氧离子导体。.在本项目的支持下，我们进而对固体氧化物燃料电池的电极和相关能源材料也进行了研究，主要进展包括：（1）证实LaNi0.6M0.4O3(M = Fe, Co)钙钛矿与LSGM具有良好的化学稳定性和匹配性，作为阴极在LSGM电解质支撑的固体氧化物燃料电池中表现出良好的电化学性能，在800°C时的最大功率密度可以达到490和850 mW cm-2。（2）合成了新型的SrRhO3六角钙钛矿并通过X射线数据精修确定了其晶体结构，物性测量确认其为交换增强的顺磁金属。（3）利用助溶剂法生长了混价的Pb3Rh7O15单晶并首次研究了其Verwey转变的压力效应，绘制温度-压力相图，发现压力可以首先抑制电荷序，然后在7GPa以上诱导电荷的重新局域化。（4）通过合作研究，在立方焦绿石Er2Mn2O7中发现巨大的可逆磁热效应；在一种金属有机框架的N掺杂多孔碳中成功包裹了Se并发现其可以作为潜在的Na-Se电池阴极材料。