2026 年 10 月 14 日
由东京科学研究所（Institute of Science Tokyo）发布
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种有前景的能源转换技术，能够直接将化学能转化为电能，并可使用天然气、沼气等多种燃料。当使用氢气作为燃料时，电化学反应的主要产物是水。然而，传统 SOFC 通常需要在高温下运行，这带来了材料降解、制造成本高昂以及电池组件兼容性差等挑战。
突破“诺比间隙”的技术瓶颈
目前商业化的 SOFC 电解质，如氧化钇稳定氧化锆（YSZ），通常需要维持在 700°C 至 1,000°C 的高温环境以保证足够的离子电导率。高温加速了材料老化并推高了成本，因此，开发能在 200°C 至 500°C 低温区间工作的电解质材料成为研究热点。
这一温度区间被称为“诺比间隙”（Noble Gap）。在该范围内，材料很难同时满足高氧化物离子导电性、良好的化学稳定性以及微不足道的化学膨胀这三个条件。这不仅限制了 SOFC 的发展，也对其他化学和能量转换过程构成了重大挑战。
新型溴化物导体填补空白
由东京科学研究所化学系教授马萨托莫·亚希玛（Masatomo Yashima）领导的研究团队，发现了一种名为 Bi1.9Te0.1LaO4.05Br 的新型溴化物氧化物离子导体。该材料在“诺比间隙”内展现出优异的氧化物离子导电性能。
研究显示，这种氧化物离子导体不仅具有比领先的质子导体更高的离子导电性，还表现出极低的化学膨胀率和极高的化学稳定性。研究人员认为，这些发现为建立一个新的研究领域——“氧化物离子学”奠定了基础。
该研究团队包括研究生 Yusuke Kanenori 和 Hidetoshi Udagawa，东京科学研究所助理教授 Kei Saito、Yuichi Sakuda 和 Kotaro Fujii；来自日本九州大学的石原太教授和 Maksymilian Kluczny；来自英国伦敦帝国理工学院的 Stephen Skinner 教授和 Mudassir A. Yatoo；以及来自日本高能加速器研究组织（KEK）和 J-PARC 的 Kazuhiro Mori 教授。相关成果已发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。
卤素替换提升导电性能
在此前的研究中，团队曾报道过一种类似的氯化物氧化物 Bi1.9Te0.1LaO4.05Cl 具有较高的氧化物离子导电性，但其性能仍低于“诺比间隙”的要求。在本项工作中，研究人员用更大且更易极化的溴离子（Br⁻）替换了氯离子（Cl⁻），合成了 Bi1.9Te0.1LaO4.05Br 样本，并深入研究了其结构与传输特性。
数据表明，Bi1.9Te0.1LaO4.05Br 在 233°C 时的体相氧化物离子导电率达到 0.01 S cm⁻¹。这一数值超过了代表性电解质 YSZ 和 LaSrGaMgO5 (LSGM)，后两者分别需要加热到 644°C 和 534°C 才能达到相同的导电水平。此外，该材料的氧化物离子导电性也超过了几种代表性质子导电陶瓷所报告的质子导电性。
在化学稳定性方面，该材料在高达 300°C 的温度下，于干燥和潮湿的氧化、还原及二氧化碳气氛中均表现出很高的稳定性，且化学膨胀几乎可以忽略不计。晶体结构分析显示，该材料具有 Sillén 型结构，包含高度导电的三明治状板层。这种独特的三明治结构为设计高氧化物离子导电材料提供了新的原理。
反直觉的传导机制：空位介导运输
研究中最令人惊讶的发现涉及氧化物离子的移动机制。尽管 Bi1.9Te0.1LaO4.05Br 中含有 0.05 的过量氧，但在晶格氧位点和间隙氧位点上同时存在氧空位和间隙氧离子。
通过衍射研究、第一性原理计算以及从头分子动力学模拟，团队确认该材料中的氧化物离子传输是通过“空位介导机制”进行的。这意味着，尽管存在过量的氧原子和间隙氧离子，氧离子仍然是通过空缺从一个晶格位置移动到相邻的空缺位置。
这一发现挑战了传统的预期，即含过量氧的离子导体应主要通过间隙扩散机制传输氧离子。研究表明，精心设计的氧空位使得即使含有过量氧原子的物质也能实现高效传输。这颠覆了人们对过量氧材料中氧离子运动方式的普遍认知，为设计快速氧离子导体开辟了新的方向。
迈向实用的低温电解质
团队还合成了其他具有高电导率的 Sillén 氧化物和卤化物，表明这一氧化物家族可能为快速氧化物离子导体提供一个有希望的平台。
研究人员指出，目前材料的总导电性仍低于其理论上的本征导电性。因此，进一步优化材料的微观结构，包括颗粒生长和致密化，对于将其高本征导电率转化为实际的电解质性能至关重要。
展望未来，Yashima 表示：“这一发现为设计新型氧化物离子导体奠定了新的基础。通过将具有高氧化物离子导电性的三明治状样板与 Br 层相结合，我们有望开发出更广泛的新型氧化物离子导体家族，应用于低温 SOFC、固体氧化物电解池及其他技术。”
参考文献：
Kanenori, Y. et al. Vacancy-mediated ultrafast oxygen ion conduction in an excess-oxygen material. Nature Communications: 10.1038/s41467-026-77848-8. www.nature.com/articles/s41467-026-77848-8
