钛掺杂La2Zr2O7基烧绿石电解质增强中温固体氧化物燃料电池氧离子传导性的研究

为解决中温固体氧化物燃料电池（SOFCs）电解质材料在低温下离子传导性与稳定性难以兼顾的问题，研究人员通过钛掺杂La2Zr2O7（LZO）烧绿石结构，采用固相反应法合成新型电解质。结果表明，Ti4+掺杂显著提升氧离子电导率，且材料保持优异热稳定性，为开发高效中温SOFCs提供了新思路。

　　

能源转型背景下，固体氧化物燃料电池（SOFCs）因高效、低排放特性成为研究热点，但其传统电解质如氧化钇稳定氧化锆（YSZ）需在800-1000°C高温运行，导致材料降解和成本攀升。如何实现中温（100-500°C）高效离子传导成为关键瓶颈。烧绿石结构氧化物（化学通式A₂B₂O₇）因其独特的有序结构和热稳定性备受关注，其中镧锆氧化物（La₂Zr₂O₇, LZO）虽具低热导率（1.56 W m^-1 K^-1），但离子电导率不足。为此，研究人员通过B位Ti⁴⁺掺杂策略调控LZO性能，相关成果发表于《Materials Chemistry and Physics》。

研究采用固相反应法合成Ti掺杂LZO（La₂Zr_2-xTi_xO₇, x=0-1），结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和阻抗谱分析材料特性，并通过密度泛函理论（DFT）计算电子结构。

材料与方法
通过固相反应法制备系列Ti掺杂LZO样品，XRD确认烧绿石相纯度，Rietveld精修分析晶体结构变化。SEM观察微观形貌，阻抗谱测定离子电导率，DFT计算揭示Ti掺杂对电子能带的影响。

结果与讨论

1. 结构特性：XRD显示所有样品均形成单一烧绿石相，Ti掺杂未破坏晶体框架但引起晶格膨胀。Rietveld精修证实Ti⁴⁺（0.605 ?）替代Zr⁴⁺（0.72 ?）导致B位离子半径减小，优化氧空位迁移路径。
2. 电导率提升：阻抗谱表明x=0.6样品在500°C时电导率达0.016 S cm^-1，较未掺杂LZO提升两个数量级，归因于Ti引入增加的氧空位浓度和降低的迁移能垒。
3. 热稳定性：高温处理（600°C）后样品无相变，SEM显示致密无裂纹，证实烧绿石结构对热循环的耐受性优于YSZ。

结论与意义
该研究通过Ti⁴⁺掺杂成功实现LZO电解质中温高离子电导率与热稳定性的协同优化，为开发下一代中温SOFCs提供新材料体系。理论计算揭示Ti的3d轨道与O 2p轨道杂化降低氧空位形成能，为后续设计高传导电解质指明方向。未来需进一步研究长期运行中的化学稳定性及与其他电池组件的兼容性。