在全球能源需求持续攀升、气候危机加剧以及各国逐步摆脱化石燃料的大背景下，研究人员、行业、政府及利益相关者正携手探索满足能源需求的新路径。其中，固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种极具前景的发电方式，备受关注。

与常规电池释放储存化学能不同，燃料电池可直接将化学燃料转化为电能，只要有燃料供应，电能转化就能持续进行，氢燃料电池便是大众较为熟悉的一种，它可将氢气转化为能量和水。不过，传统固体氧化物燃料电池虽具有高效率和长寿命的优势，却需在700至800℃的高温下运行，这使得设备实用化必须依赖昂贵的耐热材料，限制了其大规模应用。

近日，九州大学研究人员在《自然材料》杂志发表的一项研究取得了重大突破。他们成功开发出一种新型固体氧化物燃料电池，工作温度可低至300℃。研究团队期望这一成果能助力开发低成本、低温的固体氧化物燃料电池，加速此类设备的实际应用。

固体氧化物燃料电池的核心是电解质，这是一种位于两个电极之间、承载带电粒子的陶瓷层。在氢燃料电池中，电解质通过输送氢离子(质子)来产生能量，但传统燃料电池需高温才能高效运行。

领导这项研究的九州大学跨学科能源研究平台山崎义弘教授表示：“将工作温度降至300℃，能大幅降低材料成本，为消费级系统创造条件。然而，目前已知的陶瓷无法在如此‘温和’的条件下快速携带足够多的质子，所以我们致力于突破这一瓶颈。”

电解质由排列成晶格结构的不同原子组合而成，质子在这些原子间传播。研究人员探索了不同材料和化学掺杂剂(可改变材料物理性质的物质)的组合，以提高质子在电解质中的传播速度。但添加化学掺杂剂虽能增加通过电解质的移动质子数量，却通常会堵塞晶格，减慢质子速度。研究团队一直在寻找能容纳大量质子并让其自由移动的氧化物晶体。

最终，研究团队发现，当掺杂高浓度钪(Sc)时，锡酸钡(BaSnO₃)和钛酸钡(BaTiO₃)两种化合物能在300℃时达到SOFC基准质子电导率超过0.01S/cm，这一电导率水平与目前常见的SOFC电解质在600 - 700℃时相当。

山崎教授解释道：“结构分析和分子动力学模拟表明，钪原子与周围氧原子连接，形成一条‘钪氧化物高速公路’，质子沿着这条高速公路以异常低的迁移势垒行进。这条通道既宽阔又振动柔和，避免了重掺杂氧化物常见的质子捕获现象。晶格动力学数据还显示，BaSnO₃和BaTiO₃本质上比传统SOFC材料‘更软’，能吸收更多钪。”

这一发现颠覆了掺杂水平和离子传输之间的权衡关系，为低成本、中温固体氧化物燃料电池开辟了清晰的发展路径。山崎教授总结称：“除燃料电池外，这一原理还可应用于低温电解槽、氢泵以及将二氧化碳转化为有价值化学物质的反应堆等技术，成倍提升脱碳效果。我们的工作将长期存在的科学悖论转化为切实可行的解决方案，让价格实惠的氢能更贴近日常生活。”

更多信息： 通过ScO6八面体网络缓解立方钙钛矿氧化物中的质子捕获，《自然材料》 (2025)。