近日，上海交通大学浦江国际学院副教授陈倩栎、万文杰课题组合作在国际权威期刊Nature Communications（《自然·通讯》）上发表题为“Mid-infrared light resonance-enhanced proton conductivity in ceramics”（共振中红外光增强陶瓷材料质子电导率）的最新研究成果。论文率先通过实验发现，中红外光可选择性激发陶瓷燃料电池电解质材料中的特定原子振动模式、提高电解质的质子电导率，并创新地提出以特定波长的中红外光作为优化中高温固态能源器件性能的节能手段，对于离子传导机理研究、降低器件能耗与运行成本具有重要的指导意义。学院博士生李浩博为论文第一作者，陈倩栎和万文杰为论文的共同通讯作者。论文的合作者还包括学院博士生朱毅诚、赵梓含、马睿昕和鲁珈辰。
离子传导是陶瓷燃料电池和电解池、固态电池等固态能源转换与存储器件的核心过程。这些器件在清洁能源转换存储及高价值化学品生产中发挥着关键作用。提升固态能源器件关键材料的离子电导率是上述器件研发的一大挑战，对降低器件能耗与运行成本、拓展应用场景具有重要意义。近年研究表明，选择性激发与离子迁移相关的局域振动模式，可成为促进材料离子传导的新兴策略。然而，通过激发特定振动模式提升宏观离子电导率的直接实验证据较少，且具体方法也有待明确。
针对上述挑战，研究团队率先发现了中红外光可选择性激发材料中的特定原子振动模式、提高离子电导率，明确了中红外光、原子振动、离子传导相互关联的机制，并提出了优化中高温固态能源器件性能的节能手段：通过特定波长的中红外光选择性调控与离子迁移相关的原子振动模式。论文首先聚焦钇掺杂锆酸钡这一典型质子导体电解质，选用波长匹配的中红外光激发其中与质子传导密切相关的O–H伸缩振动，在195 mW cm–2的光强下测得质子电导率提升了36–53%。同时，研究发现中红外光照射下的质子电导率增幅是同等功率密度加热效应的2–3倍，展现出更高的能量效率；通过窄带滤光实验证明，中红外光与O–H伸缩振动共振时质子电导率的增强效应更显著。随后，论文分析指出O–H伸缩振动模式被中红外光共振激发，而后与晶格振动相互作用，使质子迁移的势能面更平坦，从而降低质子迁移的势垒、促进质子传导。据此，论文提出以特定波长的中红外光作为优化中高温固态能源器件性能的节能手段，可有望提高电解池的电解产率或燃料电池的输出电功率密度，降低器件启动时间、工作温度、热冲击等。论文对离子传导机理研究具有重要的指导意义，并为低成本、低功耗、低温运行及快速启动器件的研发开辟了新思路。
研究得到了国家自然科学基金和上海市科委的资助。
李浩博
上海交通大学浦江国际学院博士研究生
研究方向为陶瓷材料中的质子输运机制，相关研究成果以第一作者在Nature Communications等高水平期刊发表。曾获评上海交通大学三好学生、亚东奖学金等荣誉。
陈倩栎
上海交通大学浦江国际学院副教授、博士生导师
从事陶瓷中质子输运机制的研究，运用先进谱学表征方法揭示决定材料性能的物理化学机理，提出陶瓷燃料电池、电解池等器件性能优化的新方法。入选德国洪堡学者、上海市扬帆计划，获得瑞士中子散射学会青年科学家奖。研究成果发表于Nature Communications、Chemical Reviews、Advanced Energy Materials等知名期刊。
