南卡罗来纳大学发现洁净晶面

南卡罗来纳大学关于提高氧离子的传输速率的研究，在《Nature Communications》杂志上发表，这项研究是将化学能转化成电能的关键部分。这个团队研究了一种材料——钆掺杂氧化铈（GDC），这种材料能够有效传递氧离子，可以用于制作固态氧燃料电池的电极。添加剂的使用以及一个“微妙”化学反应的进行，使得GDC的电导率有了非常大的提高，最终导致化学能可以更快、更有效地转化电能。

这项技术突破将会开辟出一条研发新一代能量转换和存储装置的道路，而新一代产品的性能将大幅度提高，能量转化率将显著提升，而且能量的利用，会更加环保和具有可持续发展性。

晶界处低的电导率主要因为钆元素（Gd）的在晶界的偏析，导致了电荷内嵌，进而形成了空间电荷效应。电荷内嵌在界面处形成了离子迁移的屏障。研究面临的挑战是如何有效地避免钆的在晶界的偏析。由于晶界尺寸极小，为纳米米级别，因此，在如此狭窄的区域，描述和合理控制Gd的量是非常困难的。为了使晶面洁净，防止GD表层的分离，研究人员添加了一种电导剂——尖晶石结构的钴铁化合物（CFO），使材料形成一种复合结构。GDC晶界处过量的Gd会参与CFO反应，形成第三相。研究发现，这种新相也可作为一种非常优异的氧离子导体。研究人员还通过一系列高分辨率表征技术，来研究周围的晶界原子微观结构，结果表明，在晶界的Gd偏析现象消失，而且在GDC晶界处的氧离子传导性显着改善。

GDC材料中氧离子导电性的提高，已经通过氧渗透实验验证。靶向诱导初相技术能够生成清洁的晶面，具有这种晶面的材料可以应用到众多能量转换和存储装置，比如便携式电子设备，汽车，和发电厂等。这样可以使能量利用更具成本效益，高效和环境友好性。目前，在这项研究中，离子和电子导电型陶瓷复合材料被设计成隔膜，可以实现煤和天然气的快速转化，提供氧气，同时也作为天然气转化分离膜反应器。