钴掺杂Gd0.1 Ce0.9 O2-δ 电解质的低温致密化研究及其在金属支撑固体氧化物燃料电池中的应用

为解决金属支撑固体氧化物燃料电池（MS-SOFCs）中电解质高温烧结导致的金属基底热稳定性问题，研究人员通过钴掺杂Gd0.1 Ce0.9 O2-δ （GDC）电解质，利用Co–Ce-Gd-O低熔点相促进粘性流动，将起始烧结温度降低300°C以上，并在1050°C下实现25μm薄层致密化。所得1CoGDC电解质在550°C时离子电导率达1.01×10?2 S cm?1 ，组装的MS-SOFCs在650°C下功率密度达502.44 mW cm?2 且稳定运行120小时。该研究为低成本、低温制备高性能MS-SOFCs提供了新策略。

　　

在能源转型的浪潮中，固体氧化物燃料电池（SOFCs）因其高效、环保的特性备受瞩目。然而，传统SOFCs的高工作温度（>800°C）不仅导致材料老化加速，还大幅提高了制造成本。更棘手的是，当采用金属支撑结构（MS-SOFCs）以增强机械性能时，不锈钢基底难以承受电解质常规烧结所需的1500°C高温——这就像试图在冰淇淋上浇筑热巧克力，结果必然是灾难性的。

针对这一矛盾，西安先进功能涂层技术国际科技合作基地的研究团队将目光投向了钆掺杂氧化铈（GDC）电解质。这种材料在中低温下具有优异的离子电导率，但同样面临致密化温度过高的问题。通过创新性地引入钴掺杂，研究人员发现了一种"低温魔法"：钴与GDC形成的低熔点Co–Ce-Gd-O相，在1050°C就能引发粘性流动，使电解质颗粒像融化的太妃糖般紧密贴合。

这项发表在《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，采用了共沉淀法制备钴掺杂GDC粉末，通过X射线衍射（XRD）分析相组成，高分辨透射电镜（HRTEM）观察微观结构，并系统测试了烧结收缩率、相对密度和电化学性能。最终通过丝网印刷技术在金属基底上制备了厚度仅25μm的致密电解质层。

Results and discussion部分核心发现：

1. 物相分析：XRD证实所有钴掺杂样品均保持立方萤石结构，但(111)晶面衍射峰随钴含量增加而左移，说明钴成功固溶进GDC晶格。
2. 烧结行为：1mol%钴掺杂（1CoGDC）样品在1050°C烧结时相对密度达96.5%，比纯GDC提高近20%，起始烧结温度降低超过300°C。
3. 微观机制：HRTEM显示钴在晶界处轻微聚集，形成促进元素扩散和颗粒滑移的"润滑剂"，这是实现低温致密化的关键。
4. 电化学性能：1CoGDC在550°C时的离子电导率达1.01×10^?2
   S cm^?1
   ，组装的MS-SOFCs在650°C下开路电压达0.90V，功率密度突破502.44 mW cm^?2
   。

Conclusions部分指出：该研究不仅揭示了钴掺杂GDC的低温烧结机制，更开发出了一种简单、低成本的丝网印刷工艺。相比需要昂贵设备（如等离子喷涂、脉冲激光沉积）的传统方法，这种技术更易实现规模化生产。特别值得注意的是，1CoGDC电解质与典型SOFC电极材料展现良好兼容性，且在长期运行中保持稳定，为MS-SOFCs的商业化应用扫除了关键障碍。

这项工作的意义远超出材料优化本身——它像一把钥匙，同时打开了降低SOFCs工作温度和生产成本的两把锁。当大多数研究还在追逐复杂工艺时，该团队用巧妙的元素掺杂证明：有时候，最优雅的解决方案就藏在元素周期表的巧妙组合中。