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燃料电池清洁，无污染，被纳入国家能源战略，无奈电解质电导性太低，制约行业发展。现在，这一瓶颈有望被打破。7月10日，国际顶级学术期刊《科学》（Science）刊发了题为《电场诱导异质界面金属态构建超质子传输》的原创新科研论文，首次通过利用半导体异质结界面的高电导性，为质子搭建快速迁移通道。湖北大学物理与电子科学学院副教授黄敏为共同第一作者。
这是湖北大学物电学院首次以共同一作在《Science》正刊上发表研究成果，标志着湖北大学在燃料电池领域取得了突破性研究进展。物电学院的汪宝元实验室提供了燃料电池性能的核查工作，其硕士研究生M. Akbar参与了具体实验工作，为该文章的作者之一。
黄敏介绍，电解质导电率低，燃料电池能源转化效率低，达不到使用条件。长期以来，科研人员试图利用离子导体结构掺杂的方式改善电导率，效果都不理想。
△ NaxCoO2/CeO2异质结的设计思路
本次研究独辟蹊径，在由半导体材料钴酸钠和氧化铈组成的的异质结上寻求突破，黄敏利用第一性原理计算的方法，对NaxCoO2/CeO2异质结电子结构进行了系统的计算，得出了异质结界面具有金属态的特性这一结论，并且为实验所证实。此外，她还对质子在界面的迁移初态、中间态和终态这三个状态给出了原子级别的详实描述，找出了质子在场诱导的金属态界面的高速迁移通道。
△ NaxCoO2/CeO2异质结界面界面的金属特性（A，B，C）以及质子在NCO/CeO2异质结构的界面迁移过程（D，E）利用这个特性，团队首次把质子局限在异质结界面，设计和构造出具有最低迁移势垒的超质子高速通道，在“夹缝”中为质子搭建了高速公路。
在该研究中，实验成功地验证了理论和计算结果，异质结获得了极其优异的质子电导率。“相比于传统钇稳定二氧化锆电解质材料，异质结界面的电导率提升了1000倍，电池的性能输出能达到1000毫瓦每平方厘米。”黄敏说，这项研究为燃料电池发展提供了突破性的助力，燃料电池有望实现能源的快速转化。
图/物电学院 文/向正鹏
编辑/向正鹏
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