通过钒替代提高Cu2P2O7中氧化物离子导电性两个数量级：迈向固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质的途径

《ACS Applied Energy Materials》：Two Orders of Magnitude Enhancement in Oxide Ion Conductivity in Cu2P2O7 via Vanadium Substitution: A Pathway Toward SOFC Electrolytes

选择性化学掺杂可显著提升铜钒尖晶石（Cu2P2-xO7）的离子电导率，通过阻抗光谱和 neutron 散射分析发现其传导机制为协同势垒跳跃（CBH），并存在三维离子传导路径，晶体结构膨胀与畸变增强导电性。

　　

在追求绿色能源的过程中，固体氧化物燃料电池（SOFC）因能够实现化学能到电能的转换而受到了广泛关注。具有高氧离子导电性的电解质材料对于SOFC的高效运行至关重要。然而，自然界中具有较高氧离子导电性的材料较为罕见。通过选择性化学取代是一种有效提高现有材料离子导电性的方法。在本文中，我们研究了通过钒取代来增强Cu₂P_2–xV_xO₇的离子导电性。利用阻抗谱和中子衍射技术分别测定了Cu₂P_2–xV_xO₇（x = 0, 0.4, 0.6, 0.8, 1）的电导率（直流（dc）和交流（ac）导电性、扩散率、跃迁率、电模量以及介电性质和晶体结构特性。X射线光电子能谱（XPS）分析证实了Cu²⁺、P⁵⁺和V⁵⁺单价态的存在。直流电导率数据显示，随着x值从0增加到1，离子导电性提高了两个数量级，从约3.81 × 10^–5 S cm^–1提升至约2.08 × 10^–3 S cm^–1（在993 K温度下），这表明该材料有可能应用于SOFC中。直流输运数分析表明，总导电性主要由离子导电贡献（超过95%）。此外，随着x值的增加，氧化物离子的扩散率和跃迁率也有所提高。同时，还研究了交流电导率、电模量和介电性质，以揭示微观导电机制。研究结果表明，离子导电的机制是相关能级跃迁（CBH）过程。通过对中子衍射图样的软键价和（BVS）分析，发现了晶体结构中的三维（3D）氧化物离子导电路径。晶体结构分析显示，随着x值的增加，晶胞体积、多面体体积和多面体畸变程度均有所增大，从而促进了离子导电性的提升。本研究为提高离子导电性提供了方法，并有助于理解微观导电机制、离子导电路径以及晶体结构在离子导电中的作用。