Nature Materials综述:下一代电化学器件!
纳米人 2020-12-23

三重离子-电子导体(TIECs)一种可以同时传输电子和两种离子物种的材料。最近所开发的TIECs为各种电化学器件(包括燃料电池、膜反应器和电解槽)的性能最大化提供了诱人的机会。然而,由于缺乏对TIECs传输特性和电催化活性的机理的理解,这些新兴材料的潜在应用受到了严重限制。


有鉴于此,美国科罗拉多矿业学院 Ryan O’Hayre总结和分析了目前对单相材料中TIECs输运和电化学的研究,包括缺陷的形成和传导机制。强调了TIECs材料的选择标准(例如,晶体结构和离子电负性)、设计原则(例如,阳离子和阴离子替代化学)和操作条件(例如,大气),以便能够有意地调节每个电荷载体的导电性。


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目前,大多数已知的TiECs材料是混合质子、氧离子和空穴导体,主要用作燃料电池正极。迄今为止,高多价过渡金属掺杂和Zn夹杂的Ba基材料具有最高的应用性能。此外,这些多功能材料还可以用于许多其他领域,包括可逆器件、p-n异质结和膜反应器。


由于其主要的钙钛矿型结构,TIECs很容易适应阳离子和阴离子取代。而这些材料的缺陷浓度和所产生的性能很大程度上取决于其占有率和所处的环境。此外,缺陷的迁移率可能受组成和结构特征(如对称性和阳离子有序性)的影响。因此,可以通过结合组成,结构和操作条件来控制每种载体类型的总电导率。此外,适当地控制导带最小值有望为设计n型TIECs而不是p型TIECs提供新的机会。


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尽管TIECs材料为提高现有器件的性能和开发新器件提供了巨大前景。然而,目前仍需要克服许多挑战。首先,开发更有效和更直接的表征方法来研究TIECs材料;其次,扩展可操作温度范围以进一步拓宽TIEC的应用;最后,改善这些复杂材料的化学稳定性。

 

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参考文献

Papac, M., Stevanović, V., Zakutayev, A. et al. Triple ionic–electronic conducting oxides for next-generation electrochemical devices. Nat. Mater. (2020)

DOI:10.1038/s41563-020-00854-8

https://doi.org/10.1038/s41563-020-00854-8

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