稀土元素掺杂优化钽酸铋萤石结构的结构与离子电导率研究

为解决Bi2O3基材料在固体氧化物燃料电池(SOFCs)应用中存在的相不稳定性和低氧分压还原问题，研究人员通过La3+、Nd3+等稀土元素掺杂Bi3TaO7萤石结构，成功合成新型固溶体。其中Bi3Ta0.8Nd0.2O6.8在650°C时离子电导率达9.26×10-3 S cm-1，揭示了氧空位与晶体缺陷对离子传导的增强机制，为开发高效氧化物离子导体提供了新思路。

　　

在能源材料领域，固体氧化物燃料电池(SOFCs)因其高效、环保特性备受关注，但其核心材料——氧化物离子导体的性能瓶颈始终制约着商业化进程。传统Bi₂O₃基材料虽具有优异的δ相离子电导率(1 Ω^-1 cm^-1@750°C)，却面临高温相变和Bi³⁺还原两大难题。更棘手的是，其同系物Bi₃TaO₇的研究长期滞后于Bi₃NbO₇，尽管二者具有相似的萤石型结构(Fluorite)和5.4427 ?的晶格参数。

针对这一挑战，马来西亚的研究团队创新性地采用稀土元素(La³⁺、Nd³⁺等)掺杂策略，通过固相反应法成功制备Bi₃TaO₇基固溶体。研究采用X射线衍射(XRD)分析晶体结构，结合交流阻抗谱(AC impedance spectroscopy)测定电导率，并通过扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌。

Doping mechanisms and XRD analyses
研究发现尽管Ln³⁺与Bi³⁺具有相近离子半径和价态，但固溶体形成范围有限(x≤0.1)，且出现Bi₄Ta₂O₁₁杂相。值得注意的是，当将掺杂位点改为Ta⁵⁺位时，成功获得Bi₃Ta_1-xLn_xO_7-δ固溶体，其立方萤石结构得以保持。

Conclusion
Nd掺杂样品Bi₃Ta_0.8Nd_0.2O_6.8展现出最高电导率(9.26×10^-3 S cm^-1@650°C)，比未掺杂样品提升两个数量级。热分析证实材料在1000°C内保持稳定，SEM显示掺杂后晶粒尺寸增大、孔隙率降低。

这项发表于《Journal of the Indian Chemical Society》的研究具有三重突破：首次系统阐明稀土元素在Bi₃TaO₇中的掺杂机制；揭示氧空位浓度与离子传导的定量关系；为设计新型SOFC电解质提供了钽酸盐体系的重要补充数据。特别值得注意的是，该工作纠正了传统认知——即使价态匹配，离子半径差异仍会显著影响固溶体形成能力，这对后续掺杂策略设计具有重要指导意义。