在快速发展的质子陶瓷燃料电池（PCFC）领域中，将半导体调谐为快速质子导体是一种新兴策略。 PCFC研究人员面临的主要挑战是配制在低温（300至600°C）下电导率高于0.1S cm-1的质子传导电解质。
2020年7月10日，中国地质大学宋怀兵及东南大学朱斌共同通讯在Science 在线发表题为“Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure”的研究论文，该研究提出一种通过NaxCoO2 / CeO2半导体异质结构设计增强质子导体的方法，其中界面处的场致金属态会加速质子传输。研究人员开发了一种PCFC，在520°C时的离子电导率为0.30S cm-1，输出功率为1W cm-2。通过半导体异质结构方法，该研究结果提供了对质子传输机制的深入了解，这也可能改善其他能源应用中的离子传输。
最后，南京工业大学邵宗平等人在Science 发表题为“Fuel cells that operate at 300° to 500°C”的点评文章，系统总结了该研究成果，同时指出该研究的潜在应用。
将陶瓷燃料电池（CFC）的工作温度从800°C到1000°C降低到300°C至500°C的范围将提高效率，耐用性和成本，同时与这些燃料电池相比仍保持良好的电极反应动力学。然而，开发具有低离子电阻和可忽略的电子传导性的稳定电解质是具有挑战性的。原则上，减小电解质厚度可以减小电阻。制造超薄电解质需要先进的技术，这不可避免地使批量生产变得困难且昂贵。开发新的高电导率电解质材料是解决此问题的另一种方法。中国地质大学团队报告了一种燃料电池，它具有独特的高质子传导性电解质。
常规的陶瓷燃料电池（CFC）具有氧离子传导电解质（OCFC），该电解质通常在800°C以上的温度下运行，以实现快速的氧离子传输。由于质子具有较低的扩散障碍，因此人们普遍认为质子CFC（PCFC）在降低的温度下比常规OCFC更有希望。另外，由于稀释燃料的H2O是在PCFCs的阴极室中产生的，因此期望可以提高燃料利用率和理论性能。
该研究的电解质由NaxCoO2 / CeO2复合材料组成，该复合材料在370°至520°C下的电导率为0.1至0.3 S cm-1。由于Ce–O和Co–O层之间的电荷分布不平衡，这是由界面区域内的感应局部电场（LEF）驱动的。作者展示了一种具有400μm电解质厚度的电池，该电池在520°和490°C的炉温下达到了1000和830 mW cm-2的峰值功率密度。这些值大大高于使用著名的薄膜BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ电解质（在500°C时为455 mW cm-2）和OCFC（在550°C下为500 mW cm-2）。
具有高电导率的质子导体也可被用于制氢，氨的电化学合成，脱氢或加氢，氢分离以及其他应用。在反向操作中，PCFC可以用作质子陶瓷电解池（PCEC），用于通过蒸汽电解制氢。
氨合成是关键的工业化学过程，因为氨已广泛用于化肥和许多其他行业。与在高压（30 MPa）和低转化率（15％）下占主导地位的Haber-Bosch工艺不同，基于质子导体的电化学电池可以在大气压下合成氨，氢-氨转化率高达78％ 。该技术的成功实施需要具有高电导率的质子导体和对氨合成具有高选择性的合适催化剂。
作者开发的电极富含钴和氧化镍，并且这两种化合物都广泛用作常规碱性燃料电池中的电极。其他全面的研究将有助于阐明燃料电池运行中涉及的过程。对电池的长期稳定性的评估确定，是否存在可行的商业化途径很重要。
需要不同的阴极和阳极材料来改善在300°至500°C范围内工作的高效PCFC。例如，硫沉积物和焦炭会积聚在阳极材料上，因此开发耐这些过程的材料将提高性能和耐久性。阴极侧产生的水特别有害，因为它可能会阻止PCFC阴极上的氧气还原。解决这类问题应导致高导电性的质子导体在PCFC和其他相关电化学系统中的成功应用。
参考消息：
https://science.sciencemag.org/content/369/6500/184
https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.abc9136