近日，材料学院杨娟教授和庞胜利副研究员团队在自然科学领域国际知名学术期刊 Science Advances 上发表研究论文“Disordered vacancy-isolated Ce-Gd-O clusters achieve exceptional low-temperature oxygen-ion conductivity for fuel cells”。江苏大学材料科学与工程学院为第一完成单位，庞胜利与博士生何旭东为论文共同第一作者，江苏大学杨娟、庞胜利和美国德州大学圣安东尼奥分校Chonglin Chen教授为论文共同通讯作者。

氧离子导体是固体氧化物电池、催化反应器、氧分离膜和气体传感器等清洁能源技术的关键材料。然而，晶态氧化物本征氧离子电导率偏低，长期制约相关技术发展。传统认识认为，高效氧离子传导依赖于具有长程有序结构的晶体框架，这类结构可提供明确的扩散通道并维持稳定的氧空位浓度。尽管几十年来材料结构调控不断推动氧离子导电性能提升，但低温下满足应用要求的晶态氧化物体系仍然缺乏，这一瓶颈限制了氧离子导体在便携式和中温能源系统中的应用。

研究团队以萤石型Gd_0.1Ce_0.9O_1.95（GDC）为母相，通过热冲击剥离策略制备出结构独特的Ce–Gd–O团簇。该团簇呈现无序、空位隔离的结构特征，在不依赖长程有序晶体框架的条件下实现氧离子渗流传输。在400°C 下，Ce–Gd–O团簇的氧离子电导率达到2.14±0.09 S cm^–1，超过低温氧离子导体关键应用阈值两个数量级以上。该发现突破了“高氧离子电导需要长程有序结构”的传统认识，为开发低温高性能氧离子导体和新型能源器件提供了新的材料设计思路。

在固体氧化物燃料电池验证中，研究团队将Ce–Gd–O团簇作为阴极添加剂引入Pr_0.5Ba_0.25Ca_0.25CoO_3–δ/Gd_0.1Ce_0.9O_1.95复合阴极。相比未添加团簇的原始阴极，电池在750 °C下峰值功率密度提高至2.87±0.04 W cm^–2，约为原始阴极的3倍；同时，电池稳定性由每100h衰减13.2%转变为每100h提升3.4%。结果表明，该类团簇材料不仅具有突出的低温离子传导特性，也能够显著提升燃料电池阴极反应动力学和运行稳定性。

该成果面向低温/中温固体氧化物能源器件和高效催化体系具有重要应用潜力。未来，相关材料与方法有望拓展至固体氧化物电解池、绿氨制氢与合成、绿醇制氢与合成等领域，为氢能、燃料电池和绿色化工技术发展提供支撑。

研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。（材料学院）

全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec8053.