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图1. 异质结构设计和局域电场诱导金属态限域质子输运和先进质子陶瓷燃料电池示范
图2. NaxCoO2/CeO2异质结界面电子特性（A，B，C）以及质子在NCO/CeO2异质结构的界面迁移过程（D，E）
在国家自然科学基金项目（批准号：51774259、51772080）资助下，中国地质大学（武汉）吴艳团队和东南大学朱斌团队、湖北大学黄敏团队合作，在燃料电池领域取得进展，解决了半导体异质界面场诱导金属态限域质子传输破解燃料电池研究中的关键难题。研究成果以“半导体异质界面场诱导金属态限域质子传输”（Proton transport enabled by a field-induced metallic state in a semiconductor heterostructure）为题，于2020年7月10日在线发表于《科学》（Science）期刊上。论文链接：https://science.sciencemag.org/content/369/6500/184。
燃料电池是继水力发电、热能发电和原子能发电的第四种发电技术。因其具有洁净、高效、无污染特点越来越引起关注。燃料电池技术已成为国家能源发展战略的一个重点领域。高离子电导率的电解质开发，是解决目前燃料电池应用的关键。长期以来，结构掺杂的方法是提高电解质离子电导率的常用方法，即通过低价阳离子取代高价阳离子，如掺杂三价钇离子取代结构的四价锆离子，从而产生氧空位，进而提高了氧离子电导率。然而该方法并未有效解决燃料电池电解质面临的百年挑战，从而阻碍了燃料电池的商业化进程。
在传统质子传导材料里，质子需要克服巨大的能垒，通过氧空位跳跃前行。该研究团队首次通过半导体异质界面电子态特性，把质子局域于异质界面，设计和构造具有最低迁移势垒的质子通道（图1A）。本研究利用半导体异质界面场诱导金属态，助推质子高速运动，如同给质子修建“高速公路”，从而获得优异的质子电导率0.2-0.3 S cm-1（500-520°C）。这与传统电解质材料电导率相比，提升了3个数量级，并且实现了先进质子陶瓷燃料电池的示范（1000 mW cm-2, 520oC)，见图1B、1C。通过第一性原理计算，发现NaxCoO2/CeO2异质结界面具有金属态的特性（图2），描述了质子在局域电场诱导的金属态界面的高速迁移路径。
半导体异质结构和场诱导的加速离子迁移是一个全新的科学机制，为设计质子传输材料提供了一个非常有效的策略，该成果将促进新一代燃料电池研究和发展，对发展新能源技术具有重要科学意义和应用价值。