钡扩散辅助低温烧结实现富锆钙钛矿质子电导率突破

本研究通过阳极层掺入BaCO3的策略，使BaCe0.4Zr0.4Y0.1Yb0.1O3?δ电解质在1200-1400°C实现完全致密化（传统方法需≥1600°C）。2 wt% BaCO3添加量使样品在1400°C烧结时获得~10 μm晶粒尺寸，质子电导率达~5×10?3 S cm?1（650°C），活化能降至0.16 eV，面积比电阻低至0.2 Ω cm2，较无添加样品降低67%。该技术为质子导体陶瓷燃料电池提供了高效低成本的制备方案。

　　

该研究展示了一种钡扩散辅助烧结技术，能够将BaCe_0.4Zr_0.4Y_0.1Yb_0.1O_3?δ（BCZYYb4411）电解质（一种典型的质子导体）的致密化温度从常规的≥1600°C显著降低至1200-1400°C。通过调控阳极层中碳酸钡（BaCO₃）的添加量（0-6 wt%），研究人员在共烧结过程中促进了钡元素向电解质层的自然扩散，无需依赖外部烧结助剂或特殊工艺。系统的微观结构分析表明，添加2 wt% BaCO₃可在1400°C下获得最佳致密化效果，晶粒尺寸从1200°C时的约1 μm增长至约10 μm。X射线衍射结果证实所有烧结温度下材料均保持相纯度。电化学阻抗谱分析显示，添加2 wt% BaCO₃并于1400°C烧结的样品表现出显著增强的质子电导率，在650°C时达到约5×10^?3 S cm^?1，活化能降低至0.16 eV。根据质子电导率计算得到的面积比电阻值低至0.2 Ω cm²，相较于未添加BaCO₃的参照样品降低了67%，且与以往需在1450–1500°C高温烧结的质子导体陶瓷燃料电池（PCFCs）报告值相当。这一工艺创新不仅解决了富锆质子导体材料面临的关键挑战，同时保留了其本征电化学特性，为开发更高效、更经济可行的质子导体陶瓷燃料电池制造技术提供了实用路径。