质子导电陶瓷燃料电池（PCFC）是一种工作于中温区（450~700°C）的极具应用前景的下一代燃料电池。PCFC中最关键的部分是电解质，其直接决定了燃料电池的工作温度，并主导了电极和结构材料等其它部分的选择和研发策略。PCFC的电解质要求具备良好的化学稳定性和高质子电导率，采用低价阳离子掺杂以提高氧空位浓度，进而促进水合反应引入质子是提高PCFC电解质的质子电导率的常用方法。然而，如图1以烧绿石结构为例，氧化物型电解质中普遍存在多个阳离子位置，如何准确地确定适合的掺杂位置，是科研人员们普遍关注的一个问题。
图1 烧绿石氧化物晶体结构。
近日，苏州大学韩东麟教授团队使用低温EXAFS分析了质子导电型烧绿石氧化物La2(Nb0.4Y0.6)2O7-δ（LNY60）和La2(Nb0.35Y0.65)2O7-δ（LNY65）中的有效掺杂位置。如图2所示，LNY60和LNY65的水合前后的EXAFS对比分析显示，水合后La和Y附近的阳离子配位数增加，且局部晶格结构发生了膨胀，表明La和Y位是掺杂的有效位置。因此，采用二价的Ca、Sr和Ba阳离子对三价的La进行了掺杂，如图3所示，质子电导率随着Ca、Sr和Ba掺杂浓度增加而升高。特别是，2.54 at%的Ca掺杂的LNY60，以及0.98 at%的Sr掺杂的LNY65在700°C时的电导率均达到1.16×10-3 Scm-1，比未掺杂样品的总电导率高出近四倍。上述结果表明，借助EXAFS分析可准确地确定合适的掺杂位置，进而指导精准掺杂来提高固体氧化物中的质子电导率。
图2 （1）水合前后LNY60的La K、Nb K、Y K吸收边的傅里叶变换EXAFS图谱；
（2）Nb和Y阳离子周围最近的氧离子配位数。
图3 700°C，H2- 0.05 H2O中，Ca、Sr和Ba掺杂的（a）LNY60和（b）LNY65的电导率。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TA/D2TA00311B