陈倩栎课题组
【导读】
离子传导是固态电池、固体氧化物燃料电池、电解池等高效率固态能源器件中的关键过程，提高离子电导率是上述器件中高性能固态离子导体材料研发的一个核心挑战。现有方法多通过调控迁移离子浓度、材料结构与成分等实现离子电导率的提升；一些开创性的工作则认为，选择性激发材料中特定的原子振动模式是促进离子传导的新思路。然而，通过选择性激发与迁移离子相关的原子振动增强宏观离子电导率的直接实验证据较少，具体方法也有待明确。
【成果掠影】
近日，上海交通大学陈倩栎、万文杰团队合作在国际知名期刊《Nature Communications》上发表题为“Mid-infrared light resonance-enhanced proton conductivity in ceramics”（共振中红外光增强陶瓷材料质子电导率）的研究文章，上海交通大学博士生李浩博为本文第一作者。该研究以钇掺杂锆酸钡（BZY）这一典型质子导体为研究对象，选用波长匹配的中红外光（MIR）激发其中的O–H伸缩振动，该振动模式与质子传导密切相关，且波长范围与其他模式不重叠。实验测得晶粒内部、晶界的质子电导率分别增强36.8%、53.0%。该研究同时揭示了MIR与特定原子振动共振、调制质子输运势能面、促进质子传导的机制。
【核心创新点】
该研究率先通过实验证明MIR可选择性激发材料中的原子振动提高宏观离子电导率，揭示了MIR、原子振动、离子传导相互关联的机制，对离子传导机理研究具有重要的指导意义。同时，本研究创新地提出“MIR共振激发原子振动”作为优化固态能源器件性能的节能策略，为低成本、低功耗、低温运行及快速启动器件的研发开辟了新思路。
【数据概览】
图1 MIR与O–H伸缩振动共振增强质子导电的原理 © 2025 Springer Nature与本文作者
图2 O–H伸缩振动特性与质子电导率的增强 © 2025 Springer Nature与本文作者
(a) 电导率测量装置示意图。
(b) O–H伸缩振动吸收谱与MIR光源的发射谱重叠。
(c) 160°C、湿N2环境中有无MIR照射时的典型电化学阻抗谱。
(d, e) 晶粒内部、晶界特征对应的单频率阻抗。
(f) 有无MIR照射时BZY晶粒内部、晶界的质子电导率及增幅对比。
图3 质子电导率增幅与MIR照射强度的关系 © 2025 Springer Nature与本文作者
(a, b) 质子电导率增幅与MIR照射强度的关系。
(c, d) 实验测得与基于热效应估算的质子电导率增幅的对比结果。MIR照射产生的质子电导率增幅是同等功率密度加热效应的2–3倍，证明MIR增强质子电导率的主要机制为振动激发而非热效应。
图4 通过变温实验分析质子传导参数 © 2025 Springer Nature与本文作者
(a, b) 晶粒内部及晶界质子电导率、质子传导特征频率的阿伦尼乌斯图。
(c) 不同温度下与原子振动相关的因子Q，用于表征质子传导尝试频率v0和活化熵ΔS协同作用对质子电导率的影响。
(d, e) 不同条件下活化能（Ea）、指前因子（σ0）与Q的分析结果。
图5 波长选择性与增强机制 © 2025 Springer Nature与本文作者
(a, b) MIR照射提高质子电导率的波长选择性。
(c–e) MIR照射提高质子电导率的机制示意图。
【成果启示】
本研究率先通过直接实验证明中红外辐射可通过共振激发O–H伸缩振动提高质子电导率，提供了“选择性激发原子振动促进离子传导”的实验证据，揭示了MIR、原子振动、质子传导相互关联的机制；同时，本研究创新地提出一种优化固态能源器件性能的节能策略，即通过共振MIR选择性调控与离子迁移相关的原子振动，对低成本、低功耗、低温运行、快速启动器件的研发具有重要指导意义。
【原文信息】
Mid-infrared light resonance-enhanced proton conductivity in ceramics (Nat. Commun. 2025, 16, 7707.) https://www.nature.com/articles/s41467-025-63027-8
本文第一作者李浩博为上海交通大学博士研究生，研究方向为陶瓷材料中的质子传导机制。通讯作者为上海交通大学陈倩栎、万文杰副教授。上海交通大学赵梓含博士与博士研究生朱毅诚、马睿昕、鲁珈辰共同参与了研究工作。
【课题组简介】
陈倩栎，上海交通大学密西根学院副教授、博士生导师。2012年于瑞士苏黎世联邦理工大学物理专业获博士学位。2013至2015年于德国马克斯普朗克聚合物研究所从事博士后研究。主要研究材料中的离子与电子输运机制，通过揭示决定材料性能的物理化学机理，提出能源材料优化改性的新方法。入选德国洪堡学者、上海市“扬帆计划”。获得瑞士中子散射协会青年科学奖。代表性成果发表于Nature Communications、Chemical Reviews、Advanced Energy Materials、Chemistry of Materials等高水平期刊。课题组网站：https://sites.gc.sjtu.edu.cn/qianli-chen
本文由陈倩栎课题组供稿。
