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摘 要：研究小组将此前未曾尝试过的“同时掺杂两种施主元素的共掺杂策略”应用于具有大量氧空位的钙钛矿型氧化物BaScO2.5，成功将大量氧空位完全水合，同时实现了高质子浓度与高扩散系数，其质子电导率在193℃时达到了实用化基准的10-2Scm-1，在330℃时达到了0.10Scm-1，显示出远超现有材料的“超质子电导”。
关键词：施主共掺杂、六价掺杂剂、PCFC/PCEC、质子电导率、超质子电导
要点
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一种在中低温下具有世界最高质子电导率的新型稳定陶瓷材料
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通过独特的材料设计，同时掺杂两种六价施主元素，实现了高质子浓度和高速质子电导
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有望成为一项基础技术，加速低温下运行的高效燃料电池和电解池的实用化
研究小组发现了一种在中低温（200～400℃）下具有世界最高（截至2026年1月）质子（H+、氢离子）电导率和高化学稳定性的新型陶瓷材料——BaSc0.8Mo0.1W0.1O2.8（图1）。
该材料在193℃时达到了实用化基准的10-2Scm-1，在330℃时更达到了0.10Scm-1，显示出远超现有材料的极高质子电导率“超质子电导”（单位：西门子S，电阻欧姆Ω的倒数）。此外，研究小组还证实，该材料在CO2、O2、H2气氛等实际使用环境下也能稳定运行。
图1. 通过在BaScO2.5中共掺杂Mo/W作为施主制备的BaSc0.8Mo0.1W0.1O2.8，在193℃时表现出超高的质子电导率，达到了10-2Scm-1（左图的红色圆圈和线条）。与共掺杂受主的BZCYYb相比，BaSc0.8Mo0.1W0.1O2.8的质子电导率更高。质子电导率源于高质子浓度以及质子移动路径（右图中的红色箭头）的形成导致的高质子扩散系数。
研究小组将此前未曾尝试过的“同时掺杂两种施主元素的共掺杂策略”应用于具有大量氧空位的钙钛矿型氧化物BaScO2.5。结果，研究小组成功将大量氧空位完全水合，同时实现了高质子浓度与高扩散系数。此外，研究小组与高能加速器研究机构（KEK）物质结构科学研究所展开合作，通过中子衍射实验和理论计算，阐明了传统掺杂受主的材料中存在的质子俘获与活化能增加的问题得到了抑制。研究还发现，通过掺杂价态高于四价的六价掺杂剂（掺杂剂、杂质），可以通过防止质子浓度过度增加来降低活化能。因此，该材料即使在中低温下也能实现质子的高速移动，表现出极高的电导率。这一成果为低温下高效运行的下一代燃料电池（质子陶瓷燃料电池：PCFC）及水蒸气电解池（PCEC）的实用化提供了重要的材料设计指导。
为了实现碳循环型社会，人们对利用氢作为能源载体的“氢能社会”寄予厚望。其核心技术之一是能够高效地相互转换氢和电能的能源转换装置。其中，固体氧化物电池作为可逆电池备受关注，其不仅可以用作燃料电池从氢中提取电能，还可以用作电解池利用电能制氢。
特别是，在200～400℃的中低温下运行的质子陶瓷燃料电池（PCFC）和质子陶瓷电解池（PCEC）有望成为下一代技术，其启动时间比传统高温型固体氧化物电池更短，材料劣化也更少。为了实现PCFC和PCEC，亟需一种在中低温下同时具备高质子电导率和优异化学稳定性的材料。然而，到目前为止，人们尚未发现任何材料能够同时具备这两种特性。例如，聚合物材料或盐类，虽然在低温下具有高质子电导率，但在中低温下化学稳定性较差；另一方面，氧化物陶瓷虽然具有较高的化学稳定性，但在相同的温度范围内却存在质子电导率较低的问题。这种不存在同时满足“高电导率”和“高稳定性”材料的温度范围被研究人员称为“诺比间隙（Norby gap）&r