燃料電池中，固體電解質(zhì)使用的氧化鋯陶瓷（ZrO2）中添加了釔（Y）等不同的元素，用來提高特性。添加釔雖然能增強(qiáng)晶體內(nèi)部的離子傳導(dǎo)性，但會(huì)在晶界等界面發(fā)生濃集（偏聚），阻礙晶界的離子傳導(dǎo)。因此，不同元素在晶界發(fā)生的偏聚現(xiàn)象，一直被認(rèn)為是導(dǎo)致電池特性劣化的一大因素。

偏聚，是指固溶體內(nèi)溶質(zhì)原子富集的小區(qū)域(偏聚區(qū))的形成過程。東京大學(xué)和大阪大學(xué)在2016年3月24日宣布了一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)：氧化鋯陶瓷晶界的釔偏聚結(jié)構(gòu)在原子尺度為規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。氧化鋯陶瓷是燃料電池的固體電解質(zhì)，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)有可能為高性能陶瓷材料開發(fā)提供一個(gè)新方向。

這一次，研究人員使用具有1埃（10﹣1om）以下分辨率的原子分辨率掃描透射電子顯微鏡（STEM）和超靈敏X射線成分分析方法，對(duì)添加了釔原子的氧化鋯陶瓷的晶界進(jìn)行了原子尺度的組成分布分析。結(jié)果顯示，在晶界附近幾納米的范圍內(nèi)，釔濃度在原子尺度形成了深淺交錯(cuò)的規(guī)則結(jié)構(gòu)。而按照以往觀點(diǎn)，釔原子只是單純濃集，并不形成規(guī)則結(jié)構(gòu)。

而且，通過原子尺度的蒙特卡羅計(jì)算進(jìn)行理論分析的結(jié)果證明，在晶界結(jié)構(gòu)、釔、氧空位的相互作用下，這種規(guī)則結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。這種規(guī)則結(jié)構(gòu)與無法在添加了釔的氧化鋯陶瓷中達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的燒綠石型晶體結(jié)構(gòu)非常相似，可以認(rèn)為是在晶界這一特殊環(huán)境下形成的結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)研究成果在原子尺度為解明陶瓷中添加的不同元素在晶界等界面上的分布情況、以及對(duì)于功能特性的影響積累了基礎(chǔ)知識(shí)，有望成為發(fā)現(xiàn)性能劣化的原因并對(duì)其實(shí)施控制的方針。而且還表明，通過精確控制晶界偏聚，可以創(chuàng)造出使晶界單獨(dú)具備其他功能的新晶相。

英國科學(xué)期刊《自然通訊（Nature Communications）》在線版已于3月23日（日本時(shí)間）公開了這項(xiàng)成果。

粉體圈·啟東

參考來源：日經(jīng)技術(shù)在線