Yb/Sc共掺杂ZrO2电解质结合Al2O3烧结助剂：提升SOFCs高导电性与稳定性的创新研究

针对ScSZ电解质相结构复杂、烧结温度高及长期稳定性差等问题，研究人员通过Yb2O3/Al2O3共掺杂策略，显著降低烧结温度（>100°C），获得96%致密度和0.12 S cm?1高电导率（750°C），且1080小时老化后性能无衰减。该研究为SOFCs电解质材料提供了兼具高效与稳定的解决方案。

　　

论文解读

研究背景与挑战
固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为高效清洁能源转换装置，其核心电解质材料需兼具高离子电导率和长期稳定性。传统钪稳定氧化锆(ScSZ)虽在导电性上优于钇稳定氧化锆(YSZ)，却面临两大瓶颈：一是低温相变（立方相→菱方相）导致电导率骤降，二是烧结温度高达1400-1700°C引发的能耗与晶粒过度生长问题。更棘手的是，商用1Ce10ScSZ电解质在还原环境中因Ce⁴⁺→Ce³⁺的价态变化引发体积膨胀，加速性能衰减。如何通过材料设计同步解决相稳定性与可加工性矛盾，成为SOFCs领域的关键科学问题。

研究设计与技术方法
西安某研究团队采用溶胶-凝胶法制备Yb_0.01Sc_0.1Zr_0.89O_2-δ(1Yb10ScSZ)纳米粉体，并引入0.1 mol% Al₂O₃烧结助剂。通过XRD分析相结构，TG/DSC考察热行为，SEM观察微观形貌，EIS测试电导率，系统评估了材料在800°C长达1080小时老化前后的性能演变。

研究结果

1. 相结构与导电性优化
   XRD证实1Yb10ScSZ在室温至800°C均保持单一立方相，Yb³⁺(0.985 ?)与Zr⁴⁺/Sc³⁺的离子半径匹配抑制了低温相变。EIS显示其750°C体电导率达0.12 S cm^?1，归因于Yb掺杂拓宽了立方相稳定区间。

2. 烧结性能突破
   添加0.1 mol% Al₂O₃后，烧结温度降低超100°C（从1500°C→1400°C），致密度提升至96%。SEM显示Al₂O₃通过吸附晶界硅杂质净化界面，促进晶界迁移重组，且未形成阻碍导电的第二相。

3. 长期稳定性验证
   1080小时老化实验表明，1Yb10ScSZ-0.1Al的立方相结构未发生转变，电导率衰减率<3%，显著优于传统Ce-ScSZ体系。

结论与意义
该研究通过Yb/Sc共掺杂与Al₂O₃晶界工程协同策略，首次实现ScSZ电解质"低温烧结-高导电-超稳定"三重性能突破。其创新性体现在：① Yb³⁺取代Ce⁴⁺规避还原环境不稳定性；② 微量Al₂O₃实现晶界净化与低温致密化；③ 1080小时老化数据为SOFCs长寿命设计提供直接依据。研究成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为新一代中低温SOFCs电解质开发奠定材料基础。