低掺杂策略调控非晶氧化铝氧空位与结构无序性实现先进低温陶瓷燃料电池

为解决传统固体氧化物燃料电池(SOFC)高温运行导致的材料降解和成本高昂问题，研究人员通过低浓度钴(3%和6%)掺杂非晶氧化铝(Al2O3)，在550°C下实现0.17 S cm?1的离子电导率和773 mW cm?2的功率密度，为低温陶瓷燃料电池(LT-CFCs)电解质设计提供了新范式。

　　

能源危机与环境污染的双重压力下，低温陶瓷燃料电池(LT-CFCs)因其高效、清洁的特性成为研究热点。然而传统电解质如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)需在700-1000°C工作，导致材料老化和系统成本激增。更棘手的是，降低温度会大幅削弱离子电导率——这一矛盾如同"能量传输的低温冻土"，严重制约着LT-CFCs的实际应用。非晶氧化铝(Al₂O₃)因其结构无序性带来的低能离子传输通道崭露头角，但本征电导率过低又成为新的瓶颈。

深圳大学的研究团队独辟蹊径，提出"低浓度钴掺杂非晶氧化铝"的创新策略。通过精确控制3%和6%的钴掺杂量，在保留非晶基质结构无序性的同时，利用钴的Co²⁺/Co³⁺双价态振荡诱导氧空位形成，成功破解了"增强导电性"与"维持无序结构"的二元悖论。相关成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，为低温能源材料设计提供了全新思路。

研究采用溶胶-凝胶法合成纯Al₂O₃及钴掺杂样品(3-CAO和6-CAO)，通过X射线衍射(XRD)和高分辨透射电镜(HR-TEM)确认非晶相保留，X射线光电子能谱(XPS)分析氧空位浓度，电化学阻抗谱(EIS)测定离子电导率，并组装单电池测试功率输出性能。

Material characterizations
XRD图谱显示所有样品在2θ=20°-35°呈现典型非晶弥散峰，HR-TEM未见晶格条纹，证实钴掺杂未引发结晶化。XPS证实6-CAO的氧空位浓度较纯样品提升217%，归因于Co²⁺→Co³⁺转化伴随的电荷补偿机制。

Electrochemical performance
550°C下，6-CAO离子电导率达0.17 S cm^?1，是纯Al₂O₃(0.078 S cm^?1)的2.2倍。对应单电池功率密度呈现梯度增长：纯样品512 mW cm^?2→3-CAO 672 mW cm^?2→6-CAO 773 mW cm^?2，质子传导贡献占比达68%。

Conclusion
该研究揭示了低浓度过渡金属掺杂的非晶电解质设计规律：1) 3-6%钴掺杂可在Al₂O₃中创造每立方纳米3.2个氧空位；2) Co²⁺/Co³⁺氧化还原对通过动态电荷平衡维持结构稳定性；3) 引入的中间能级使带隙收窄0.8 eV，降低离子迁移活化能。这种"缺陷工程与结构无序协同调控"策略，为开发新一代低温能源转换材料开辟了新途径。

讨论
相比传统晶态电解质，非晶6-CAO在550°C下的性能已接近YSZ在800°C的水平(0.1-0.2 S cm^?1)，且具备更优的热循环稳定性。特别值得注意的是，钴掺杂诱导的"质子-氧离子混合传导"机制，使得材料在氢能应用中展现独特优势。该工作不仅为LT-CFCs提供了高性能电解质候选材料，其揭示的"低掺杂浓度阈值效应"(<7%)对其它非晶能源材料设计具有普适指导意义。