电化学器件的进步主要得益于电解质材料的发展。然而，由于质子陷阱以及掺杂氧化物中离子载体浓度与电导率之间的权衡问题，开发高性能且化学稳定的质子导电氧化物电解质仍然面临挑战。日本九州大学Yoshihiro Yamazaki等人研究发现BaSn₀.₃Sc₀.₇O₃–δ (BSS70) 和 BaTi₀.₂Sc₀.₈O₃–δ (BTS80)在 300°C 下质子电导率达 0.01–0.016 S cm⁻¹，超越燃料电池电解质的技术阈值（0.01 S cm⁻¹）。机器学习力场分子动力学模拟（NNP-MD）显示质子沿 ScO₆–ScO₆ 路径扩散，有效缓解了质子陷阱问题，同时质子更倾向于与Sc结合。该研究为开发 中温（200–400°C）电化学器件（燃料电池、电解池）提供了新一代电解质材料，提出的 ScO₆ 网络机制 和 晶格软化描述符 为高性能质子导体设计开辟了新范式。研究成果以Mitigating proton trapping in cubic perovskite oxides via ScO6 octahedral networks为题发表于Nature Materials。
核心创新点
1.BaSn₀.₃Sc₀.₇O₃–δ (BSS70) 和 BaTi₀.₂Sc₀.₈O₃–δ (BTS80)在 300°C 下质子电导率达 0.01–0.016 S cm⁻¹，超越燃料电池电解质的技术阈值（0.01 S cm⁻¹）。首次在 300°C 实现 纯质子传导（质子迁移数 ≈1），填补了中温固态电解质空白（”Norby 间隙”）。
2.机器学习力场分子动力学模拟（NNP-MD）显示质子沿 ScO₆–ScO₆ 路径扩散（图 3）。Ab initio 计算表明 ScO₆ 网络提供 低能垒迁移路径（≈0.3 eV），而 Y 掺杂路径能垒更高（0.42–0.51 eV）（图 5a,b）。
3.低体模量（Bulk Modulus） 的宿主氧化物（如 BaSnO₃、BaTiO₃）可容纳更高 Sc 掺杂量（图 5c）。软晶格减少点缺陷引起的结构畸变能，促进 Sc 溶入晶格。描述符同样适用于 Y 等掺杂剂，为设计高掺杂电解质提供理论依据。
4.BSS70 在 严苛条件（98% CO₂ + 2% H₂O，300°C，398 小时）下无碳酸化或分解（图 4b,c）。基于 BSS70 的质子陶瓷燃料电池在 300°C 下开路电压达理论值（1.194 V），验证其纯质子传导性与稳定性（图 2c）。
图1：300°C下掺钪钡锡酸盐和钡钛酸盐的质子传输性能。
图2：BaSn0.3Sc0.7O3–δ中的质子传导与扩散。
图3：在掺杂60 at.%钪的钡钽酸盐中的质子扩散及其轨迹。
图4：BaSn0.3Sc0.7O3−δ电解质的结构与化学稳定性。
图5：重掺钪钙钛矿中相关质子的快速传导路径及钪溶解度的描述符。
