电化学装置主要是电解质材料的发现和发展推动的。然而，高性能和化学稳定的质子传导氧化物电解质开发，仍然是挑战之一，这是由于掺杂氧化物中，质子捕获和由此产生的离子载流子浓度和电导率之间权衡。
近日，日本九州大学Kota Tsujikawa，Yoshihiro Yamazaki等，在Nature Materials上发文，证明了重钪Sc掺杂的立方钙钛矿氧化物，可以克服这些限制。
研究发现，在300°C时，BaSn0.3Sc0.7O3–δ 和BaTi0.2Sc0.8O3–δ超过了燃料电池电解质总质子传导率0.01 S cm−1技术阈值。在苛刻化学和燃料电池条件时，进一步验证了BaSn0.3Sc0.7O3–δ结构稳定性。
机器学习力场的分子动力学模拟表明，沿着 ScO6八面体网络的快速质子扩散路径，有效地减轻了质子捕获，而质子优先与钪Sc相关。晶格软化度Lattice softness（低体模量）是提高钙钛矿氧化物中钪Sc含量和开发用于电化学装置的高性能电解质的主要设计描述符，即晶格体积模量降低与ScO₆含量增加相关联。
Mitigating proton trapping in cubic perovskite oxides via ScO6 octahedral networks. 基于ScO6八面体网络，减轻了立方钙钛矿氧化物中的质子捕获。
图1: 在300°C时，钪Sc掺杂锡酸钡和钛酸钡的质子传输特性。
图2: BaSn0.3Sc0.7O3–δ中的质子传导和扩散。
图3: 60at.%钪Sc掺杂的锡酸钡中，质子扩散及其轨迹。
图4: BaSn0.3Sc0.7O3–δ电解质的结构和化学稳定性。
图5:重钪Sc掺杂钙钛矿中，相关质子的快速传导路径和钪Sc溶解度描述符。
通过高浓度钪（Sc）掺杂立方钙钛矿氧化物（如BaSn₀.₃Sc₀.₇O₃和BaTi₀.₂Sc₀.₈O₃），解决质子捕获难题，在300°C实现质子电导率超0.01 S cm⁻¹（燃料电池应用阈值）。分子动力学模拟揭示，ScO₆八面体网络形成快速质子通道，即使质子与掺杂剂结合仍能高效迁移。在严苛CO₂环境中，电解质材料保持稳定，且晶格软化度被确立为设计描述符，为下一代中温电化学器件开辟道路。通过"高Sc掺杂+机器学习模拟"的组合策略，攻克钙钛矿质子导体50年未解难题，有助于
低温化、高效化的固态电化学器件。Tsujikawa, K., Hyodo, J., Fujii, S. et al. Mitigating proton trapping in cubic perovskite oxides via ScO6 octahedral networks. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02311-w声明：仅代表译者观点，如有不科学之处，请在下方留言指正！
