1.科学背景
燃料电池是构建未来清洁能源体系的关键技术路径之一，其中固体氧化物中氧离子的快速传导，是固体氧化物燃料电池（SOFC）等器件实现高效运行的核心要素。当前主流的氧化钇稳定氧化锆（YSZ）氧离子导体只有在超过700 ℃高温条件下呈现可观的离子电导率（0.01 S cm-1）。然而，过高的工作温度不仅导致系统成本居高不下，也加速了性能衰减。因此，如何实现低温高效离子导电，是该领域面临的关键科学难题。当前研究基于掺杂萤石结构、掺杂钙钛矿结构等材料体系，操作温度在500~700 ℃中温区间，为拓宽互连材料选择、采用非玻璃/陶瓷压封、降低系统配套（BOP）成本等创造了条件。如何进一步将工作温度降至400 ℃以下，大幅提升燃料电池从室温到操作温度的工作效率与寿命，对于创新SOFC的技术路线具有重要意义。
2.创新成果
近期，北京科技大学陈骏教授、邓世清教授团队在Nature Energy期刊发表了题为“Low-temperature oxide-ion conduction in Aurivillius-type ((Na0.5Bi0.5)n-1TinO3n)(Bi2O2) phases”的论文（C. Huo, et al., Nat. Energy 11, (2026), https://doi.org/10.1038/s41560-026-02115-5），报道了一种新型氧离子导体薄膜材料——((Na0.5Bi0.5)n-1TinO3n)(Bi2O2)基Aurivillius型薄膜，成功在低温下获得优异氧离子导电性（350 ℃时达0.025 S cm-1），刷新了现有氧离子导体材料的性能纪录。借助亚埃尺度电子叠层衍射成像技术与理论计算，团队揭示了该材料优异性能的微观机制。研究发现，薄膜中铋氧层（BO层）和钙钛矿层形成长周期有序结构，并在二者界面处形成有效应变相互作用，进而产生周期性层状快离子传输通道。这不仅精确调控了本征氧空位的空间分布，更开创性地构建了独特的双离子协同传导路径，显著提升了氧离子的输运效率。同时，团队基于商业化电极材料成功组装了燃料电池，验证了这一新型氧离子导体与当前SOFC技术的良好兼容性。该研究提出的异质结构设计策略，不仅为氧离子导体领域提供了新思路，还有望拓展至其它量子材料体系的材料设计和性能调控。
3. 图文解析
图1. (NBT)n/(BO)1薄膜的结构表征。
图2. (NBT)n/(BO)1薄膜的氧离子导电性能。
图3. (NBT)n/(BO)1薄膜电子叠层成像表征。
图4. 超高离子导电性的微观起源。
图5. 器件性能表征。
4.科学启迪
本研究提出了一种利用可控自组装方法高效构筑薄膜超结构的新思路，并基于此成功制备了一系列((Na0.5Bi0.5)n–1TinO3n)(Bi2O2) Aurivillius型高性能氧离子导体薄膜。该材料调控策略充分发挥了两相组元的独特属性，不仅有效调控了本征氧空位的分布，还开辟了独特的周期性双离子协同传导路径，实现在350 ℃时实现高达0.025 S cm-1的低温氧离子电导率。电子叠层衍射技术在深度亚埃尺度下厘清了优异离子导电性的微观起源，揭示了BO层在强化离子传导中的关键作用。这一低温超高离子导体材料有望显著降低SOFC等器件的工作温度，减缓电池性能衰减，展现出良好的应用前景。
论文第一作者为北京科技大学霍传瑞博士，通讯作者为海南大学陈骏教授和北京科技大学邓世清教授。论文主要合作作者包括西湖大学刘仕教授、海南大学陈江华教授、美国布鲁克海文国家实验室Yimei Zhu教授、清华大学于荣教授等。研究工作获得了国家自然科学基金项目、北京市卓青、小米青年学者等项目资助。
