双掺杂铈纳米结构陶瓷电解质的软化学合成：对LTSOFC应用的基础认识及其电化学性能

《Inorganic Chemistry Communications》：Soft chemical synthesis of dual-doped ceria nanostructured ceramic electrolytes: Fundamental insights and electrochemical properties for LTSOFC applications

基于湿化学水热法合成Co和Cu双掺杂CeO2陶瓷电解质材料，系统表征其XRD、FTIR、SEM、TEM及EDAX特性，发现CCCO IV在540℃时离子电导率达2.69×10^-5 S/cm，激活能为0.88252 eV，具有最佳电化学性能，适用于低温固体氧化物燃料电池（LTSOFC）。

　　在当前能源需求不断增长和环境问题日益严重的背景下，固体氧化物燃料电池（SOFCs）因其高效率和低污染排放而受到广泛关注。SOFCs是一种利用燃料（如氢气或天然气）在高温下通过氧化还原反应产生电能的电化学装置。其核心组件之一是电解质材料，它决定了电池的整体性能和运行温度。传统上，二氧化锆（YSZ）是SOFCs中常用的电解质，但其高温操作限制了应用范围。因此，研究开发适用于低温度操作（LTSOFCs）的新型电解质材料成为重要的方向。

本文提出了一种基于双掺杂的氧化铈纳米结构陶瓷电解质材料，其化学式为Ce_1-x-yCo_xCu_yO_2-δ。研究选择了四种不同的掺杂比例：CCCO I（x=0.05, y=0.05）、CCCO II（x=0.10, y=0.10）、CCCO III（x=0.15, y=0.15）和CCCO IV（x=0.20, y=0.20）。这些材料通过一种简单的湿法水热法进行合成，这种方法具有成本低、操作简便以及可大规模生产的优点。在制备过程中，使用了相应的金属硝酸盐作为原料，并以氢氧化钠作为沉淀剂，通过控制反应条件实现了纳米结构的形成。

为了全面评估这些材料的性能，研究人员采用了一系列现代分析技术。X射线衍射（XRD）结果显示，所有样品均形成了面心立方（FCC）结构，且未检测到杂质峰，说明材料具有高度的纯度和结构一致性。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析则揭示了材料中存在M-O键，这与氧离子在材料中的迁移行为密切相关。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像进一步证实了材料中纳米晶粒的存在，表明其具有良好的纳米结构特性。能谱分析（EDAX）的结果也验证了材料中所预期的元素及其原子百分比的正确性。

在电化学性能方面，研究人员对四种样品进行了阻抗和介电性能测试。测试在室温下以及高达540°C的空气中进行，以评估材料在不同温度条件下的表现。结果显示，CCCO IV在540°C时表现出最高的氧离子电导率，达到了2.69×10^?5 S·cm^?1，远超其他样品。这表明，CCCO IV在高温下的离子传导能力最强，具有显著的电化学优势。此外，CCCO IV的活化能被确定为0.88252 eV，这一数值意味着其离子迁移过程相对容易，从而在较低的温度下仍能保持较高的电导率。

介电常数的测试结果也显示，随着温度的升高，样品的介电常数逐渐增加。这一现象表明，材料在高温下的极化能力增强，可能是由于晶格结构的变化或氧空位的增加。这种温度依赖性对于设计适用于不同运行条件的电解质材料具有重要意义。通过这些实验，研究团队确认了CCCO IV作为LTSOFCs电解质材料的潜力，其优异的电导率和较低的活化能使其在低温度下具有更高的效率和稳定性。

除了电化学性能，研究还关注了材料的热稳定性。通过热重分析（TGA），研究人员观察到CCCO IV的干燥前驱体在150°C时发生了约9.5%的重量损失，这很可能是由于水分的蒸发。随着温度进一步升高，至300°C时，重量损失继续增加，约4%。这一结果表明，在较高温度下，材料可能会经历进一步的结构变化或分解。因此，研究团队对材料在高温下的热稳定性进行了深入分析，以确保其在实际应用中的可靠性。

在实际应用方面，LTSOFCs因其较低的运行温度而受到青睐。与传统HT-SOFCs相比，LTSOFCs不仅能够减少设备的热应力，还能够缩短启动时间，提高系统的整体效率。此外，由于运行温度较低，LTSOFCs可以使用更便宜的材料，从而降低制造成本。这些特性使其在便携式设备、电动汽车和分布式发电系统中具有广阔的应用前景。

研究团队还回顾了当前电解质材料的发展趋势。例如，掺杂氧化钆（GDC）和氧化钐（SDC）的氧化铈材料在低温下表现出优异的离子传导能力，但其在高温下的稳定性仍有待提高。此外，硫化物电解质如锂镧硫化物（LLS）因其高离子电导率而受到关注，但其长期性能和高温稳定性仍需进一步研究。另一方面，基于钙钛矿结构的材料如BaCeO₃和BaZrO₃在离子传导方面表现出色，但它们的热稳定性和与其他组件的相容性仍需优化。这些研究为开发新型电解质材料提供了重要的参考，也突显了双掺杂氧化铈在LTSOFCs中的独特优势。

研究团队还提到，通过引入不同的掺杂元素，可以进一步调整材料的性能。例如，除了钴和铜的双掺杂外，还可以考虑其他金属元素如镍、钽或铌的掺杂，以优化材料的离子电导率和热稳定性。此外，通过改变掺杂比例或引入多元素掺杂策略，可以实现对材料性能的更精细调控。这些方法为未来的材料设计提供了更多的可能性，有助于推动LTSOFCs技术的发展。

在实际应用中，LTSOFCs不仅能够提供高效的能源转换，还能减少对传统化石燃料的依赖。由于其较低的运行温度，LTSOFCs可以更安全地集成到现有的能源系统中，例如与太阳能或风能结合使用，以提高整体能源利用效率。此外，LTSOFCs的模块化设计使其能够灵活适应不同的应用场景，包括家庭供暖、工业发电和移动设备供电等。这些特性使得LTSOFCs成为未来清洁能源技术的重要组成部分。

本文的研究成果为开发高性能、低成本的LTSOFCs电解质材料提供了新的思路。通过系统的实验分析和性能评估，研究团队确认了CCCO IV作为最佳电解质材料的潜力。这一发现不仅有助于推动LTSOFCs技术的商业化进程，也为其他类型的燃料电池和能源存储设备提供了借鉴。未来的研究可以进一步探索CCCO IV在不同运行条件下的性能表现，并评估其在实际应用中的长期稳定性。此外，还可以结合其他先进的材料合成技术，如溶胶-凝胶法或化学气相沉积法，以优化材料的微观结构和宏观性能。

总之，本文的研究展示了双掺杂氧化铈纳米结构陶瓷材料在LTSOFCs中的应用前景。通过采用水热法合成，研究人员成功制备了具有优异电化学性能和热稳定性的材料。这些材料的开发不仅有助于提高LTSOFCs的效率和寿命，还为实现更环保、更经济的能源解决方案提供了重要的支持。随着相关研究的不断深入，预计未来将有更多的创新材料涌现，进一步推动燃料电池技术的进步。