天然赤铁矿纳米复合电解质材料的合成、功能化及其离子传输机理研究

Nanocomposites engineering of natural hematite is crucial to realize its high ionic conductivity. Due to the unsatisfied conductivity and complicated fabrication of the current electrolyte materials of low temperature solid oxide fuel cell (SOFC), this project proposes to composite mineral material with nano-size and morphology-controlled materials to obtain superconductivity material via the nanotechnology. The controllable assembly of hematite nanocomposites and its electrical properties in SOFC are studied. The control conditions and methods of nanoparticles morphology and assembly mode are established to further find out the the relationship between the interface characteristics and the conductivity of hematite-nanoparticles, and elucidate the ionic conductive mechanism of controlled mineral nanocomposites. The devices will be performed to understand the new scientific mechanism, with a target of high electrochemical performance (>1W cm-2 at 550 ℃) and stable non-stop running over 10 days. We believe that this proposed research will guarantee strong mineral materials development and technological application for new generation energy conversion devices. In the same time, new minerals science and theory will be established, leading worldwide research activity.

天然赤铁矿纳米复合是实现其高离子电导率的重要途径。针对目前低温固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质材料较低的电导率及其制备复杂的局限性，基于纳米复合技术，本项目提出构筑尺寸和形貌可控的纳米复合矿物材料方案，研究其离子迁移过程，以期获得超离子电导的电解质材料。拟开展赤铁矿纳米复合材料的可控组装及其在SOFC中的电性能研究，探明纳米粒子形态、组装方式的控制条件与方法，建立赤铁矿表面与纳米粒子之间的化学键合与可控组装的数值模型，探讨赤铁矿—纳米粒子界面特性和电导率之间的关系，阐明可控的矿物复合材料的离子导电机制。通过对纳米复合的优化和矿物孔道功能化修饰，增强赤铁矿矿材料体系的离子电导和输运特性，实现矿物燃料电池的高电化学性能（>1 W/cm2, 550℃）和稳定性操作(放电200h以上)。本项目的研究成果与方法，将为发展新型矿物功能材料、开发其在能源应用的基础研究提供借鉴。

实现复杂体系中矿物能源材料的功能特性，是矿物材料研究的关键科学问题。本项目从金属矿物材料分离与提纯出发，通过构筑纳米复合微观结构，将具有高活性纳米表面通道的并具有一定氧离子/质子传导效应的矿物材料进一步进行纳米复合，设计合成一系列具有高电导率矿物纳米复合材料，对矿物纳米孔道进行修饰以构建可调控的纳米复合材料，实现了低温操作条件下 (≤ 550 ℃ ) 高离子传输 (电导率 > 0.1 S cm-1)，揭示了复合工艺对矿物复合材料离子传输通道及界面性质的影响规律，开展了一系列基于矿物材料燃料电池的基础理论和器件应用的研究工作。通过第一性原理计算建立了相关复合体系的原子结构模型，从原子层面揭示了矿物纳米复合材料离子传输电化学性能增强的反应机理，同时拓展到了其它一维、二维粘土矿物的改性研究，为高性能矿物材料的制备和功能化研究提供了新思路，并实现了矿物燃料电池器件的运行。研究结果为矿物基复合能源材料的制备提供了新的策略和方法，并拓宽了矿物能源复合材料在新能源转化中的应用领域。