世界许多国家都在推动可持续能源技术的发展。在这方面，质子陶瓷(或质子传导)燃料/电解电池(PCFC/PCEC)是强有力的竞争者。

这些设备可以直接将化学能转化为电能，反之亦然，在低温或中温下实现零排放，这使得它们成为下一代分布式电源等许多新兴应用的有吸引力的选择。此外，与其他类型的燃料电池和电解槽不同，PCFC/PCEC不需要贵金属催化剂或昂贵的耐热合金。

然而，目前还没有关于质子导体在250-400℃中低温下同时具有高电导率和高稳定性的报道。这个问题被称为“诺比间隙”，多年来科学家们一直在寻找可以克服它的材料。

在此背景下，日本东京工业大学(TokyoTech)的MasatomoYashima教授和KeiSaito先生提出了一项可能彻底改变质子导体设计和开发的新策略。他们的研究结果发表在《自然通讯》上。

研究人员解决了最先进的钙钛矿型质子导体的主要缺点之一。这些材料具有化学式A2+B4+O3，其中A和B分别是较大和较小的阳离子。

增强此类钙钛矿质子电导率的一般策略是引入受体掺杂剂。即，价数低于B4+的阳离子M3+。这些“杂质”在所得晶格中产生氧空位，从而增加质子传导性。然而，这种方法也产生了称为“质子捕获”的问题，由此质子由于静电引力而被受主掺杂剂M3+捕获，其相对于主体阳离子B4+具有有效的负电荷。

为了避免这个问题，研究人员转向了BaScO2.5。这种钙钛矿在其晶体结构中具有固有的(或固有的)氧空位，这使得施主掺杂成为可能。该团队将施主掺杂剂Mo6+掺杂到BaScO2.5中以产生BaSc0.8Mo0.2O2.8(或“BSM20”)。

“与传统的受主掺杂方法相反，施主掺杂可以通过质子和施主Mo6+阳离子之间的静电排斥来减少质子捕获效应，施主Mo6+阳离子的化合价高于主体阳离子Sc3+”，Yashima教授解释道。“这反过来又导致高质子传导。”

经过使用先进模拟技术的一系列实验和理论分析，研究人员证明BSM20确实在诺比间隙的中低温下提供了极高的质子传导率。此外，施主掺杂有助于稳定立方钙钛矿型结构，从而在整个材料中实现高效的三维质子传导。值得注意的是，BSM20在氧化、还原和二氧化碳气氛下也表现出非常高的稳定性，这是许多实际应用所必需的特性。

总体而言，这项研究的结果可以为具有前所未有的性能的PCFC/PCEC新型质子导体铺平道路。“所提出的策略和BSM20的发现可能会对能源和环境科学技术产生重大影响，”Yashima教授总结道。