近日，我校朱斌教授团队在新型燃料电池研究方向连续取得创新成果和进展，相关研究成果 "Semiconductor TiO2 thin film as electrolyte for fuel cells"在Journal of Materials Chemistry A 在线发表，该论文以物电学院副教授董文静为第一作者，朱斌教授为第一通讯作者，湖北大学为第一完成单位和通讯单位。同时研究论文"Fast ionic conduction in semiconductor CeO2-δ electrolyte fuel cells"被Nature出版集团旗下期刊 NPG Asia Materials 接受。论文以汪宝元副教授为第一作者，朱斌教授为第一通讯作者，湖北大学为第一完成单位和通讯单位。合作单位有德国马普国家研究所，瑞典皇家工学院（KTH）和英国拉夫堡大学和国内的中国地质大学、西安建筑科技大学以及东华大学。
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种燃料选择性较广的高功率密度能源转换器件，而备受关注。电解质是SOFC中传导离子、隔绝电子传导的重要部件。传统观点认为电解质的电子导电会引发电池漏电、降低开路电压，从而引起电池性能退化。传统设计和提高材料的离子导电性的方式是通过结构掺杂，例如Gd3+ 和Sm3+掺杂氧化铈。电解质的开发研究长期集中于具有电子绝缘性的离子导体。我们通过两种新途径来实现新型功能电解质材料。
前一项工作通过质子电化学插入TiO2半导体转变为良好的质子导电电解质；并引入能带设计与燃料电池逆反应过程水电解的类比，通过电池中阳极、阴极、电解质三层材料的能带结构设计和优化进一步避免电子导电和电池漏。如此成功设计和实现了以半导体TiO2薄膜材料为电解质的燃料电池。电池表现出高开路电压和功率输出，进一步证明了从能带设计原理和理论用于燃料电池电化学的正确和可行性。同时发现和证明了半导体TiO2的质子导电性，这和2016年哈弗、普渡大学在Nature报道的SmNiO3质子导电电解质的燃料电池（ Y. Zhou & S. Ramanathan et al, Strongly correlated perovskite fuel cells, Nature, 2016, 534, 231-234.）有异曲同工之处，但是我们的研究进一步揭示了这种半导体电解质的实质和科学设计的理论基础，更为普适和指导后续不断的深入和创新研究。本研究以传统半导体为电解质，打破了传统设计方法的禁锢，为研究新型离子导体开创了新思路，也为开发半导体材料的应用提供了新方法。
第二个工作打破结构掺杂设计和实现高离子传导电解质的传统方法，而是通过简单易行热处理法在CeO2表面形成非化学剂量的CeO2-δ，利用其非化学剂量的纳米氧化铈表面Ce4+-Ce3+的平衡和伴随大量的表面氧空位来构造离子传导层，形成核壳结构的特殊微观形貌，具有表面超离子导电性。其不掺杂的氧化铈比传统的离子掺杂氧化铈的离子电导率高一个量级，利用非掺杂氧化铈为电解质构成的燃料电池具有更好的燃料电池功率输出。最后用氧化铈在氢氧燃料电池气氛下的能带结构变化解释了非掺杂氧化铈燃料电池的工作机制。
近年来，朱斌教授团队发展了以半导体-离子导体混合导电材料为电解质的新型燃料电池，并在一大类半导体电解质和异质复合电解质的燃料电池的工作机理方面提出了多种创新性的理论。上面两项研究工作是其在半导体和半导体能带论用于燃料电池设计，理论和应用的非常成功的示范。
研究工作得到国家自然科学基金委的经费支持（项目号：11604088，51772080，52872080）。
全文链接地址 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta01941c#!divAbstract
https://www.nature.com/articles/s41427-019-0152-8
