新型三重导电层状钙钛矿BaLa1–xFexInO4–δ的合成及其在电化学器件中的应用研究

本文推荐了一种新型三重导电（质子/氧离子/空穴）层状钙钛矿材料BaLa1–xFexInO4–δ，通过铁掺杂调控晶体对称性和导电性能，为固体氧化物燃料电池（SOFC）和电解池（SOEC）提供了兼具电解质-阴极兼容性的候选材料。研究发现低铁浓度（x=0.1）样品在湿空气中呈现三重导电特性，而高铁浓度（x=0.4-0.5）则以空穴导电为主，其电导率提升达4个数量级。

　　

Highlight

本研究首次成功制备铁掺杂层状钙钛矿BaLa_1–xFe_xInO_4–δ（0≤x≤0.5），铁元素以Fe²⁺/Fe³⁺混合价态存在。低浓度掺杂样品（x=0.1）在干燥空气中展现氧离子/空穴混合导电，在湿润环境中则激活质子传导，实现三重导电（triple conduction）。

Experimental

采用改良的甘氨酸-硝酸盐法合成材料，以甘油为凝胶剂。将Ba(NO₃)₂、In(NO₃)₃·4.5H₂O等前驱体按化学计量比溶解，加入氨基乙酸燃烧剂，经自蔓延燃烧和1300℃退火获得纯相样品。

Results and discussions

X射线衍射证实：铁掺杂可提高晶体对称性，当x≥0.3时结构从单斜相转变为正交相。电导率测试显示，随铁含量增加，电导率飙升4个数量级，x=0.4-0.5样品以空穴导电为主导。热膨胀分析表明Ba_1.1La_0.9InO_3.95与BaLa_0.9Fe_0.1InO_4–δ具有匹配的热膨胀系数。

Conclusions

该材料体系通过调控铁含量可实现导电特性从离子主导到电子主导的转变，为设计"电解质-阴极"一体化器件提供了新材料平台。低铁样品的三重导电特性尤其适用于质子陶瓷燃料电池（PCFC）的阴极应用。