低浓度稀土元素（Y, Ce, Nd, Ho, Er, Yb）掺杂对Ba7Nb4MoO20离子传导行为的显著增强效应及其在固体氧化物燃料电池中的应用前景

《Materials Today Chemistry》：Conduction behavior of Ba 7Nb 4MoO 20 doped with low content of Y, Ce, Nd, Ho, Er and Yb

本文系统研究了低浓度三价稀土元素（R = Y, Ce, Nd, Ho, Er, Yb）掺杂对Ba7Nb4MoO20氧化物离子导体的改性作用。尽管掺杂溶解度极低（x<0.02），但通过精准调控氧空位浓度和晶格占位，成功将电导率提升近6倍，其中Ba6.98Er0.02Nb4MoO20.01在800°C达到0.0085 S·cm-1。该研究为开发中温固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质材料提供了新策略。

　　

章节亮点

样品制备

通过固相反应法制备名义组成为Ba_7-xR_xNb₄MoO_20+0.5x（R = Y, Ce, Nd, Ho, Er, Yb）的样品。采用高纯度原料（如BaCO₃99.95%、Nb₂O₅99.9%等），按化学计量比混合后经乙醇球磨24小时，展现材料制备的精密工艺。

XRD分析

有趣的是，即使掺杂微量Yb（x=0.02），XRD图谱在28°附近也出现Ba₅Nb₄O₁₅杂相峰，且随掺杂量增加而增强，表明稀土元素在Ba位的溶解度极限低于x=0.02。当固定掺杂量x=0.02时，所有样品均呈现一致的晶格收缩，印证了稀土离子的成功掺入。

讨论

本研究发现稀土掺杂呈现两种传导行为分野：Ce/Er/Yb掺杂样品在干湿气氛中的体相电导率（σ_bulk）差异微小，与已报道的富氧材料（如Cr/W掺杂体系）行为类似；而Y/Nd/Ho掺杂样品则显现出独特的湿气氛电导率提升。这种差异可能源于掺杂剂在Ba位与Nb/Mo位分配比的微妙不同，进而影响氧空位分布格局——就像智能钥匙对离子通道的精准解锁。

结论

研究表明，低浓度稀土掺杂虽溶解度有限，但能通过引发晶格畸变和氧位点占据重构，显著增强Ba₇Nb₄MoO₂₀的氧化物离子传导性能。这种"四两拨千斤"的掺杂策略，为中温固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质设计开辟了新路径。