质子陶瓷燃料电池（PCFC）的工作温度一般为450~700 °C。与固体氧化物燃料电池（SOFC）相比，PCFC工作温度较低，因此可以用普通的不锈钢作为结构材料；与质子交换膜燃料电池（PEM）相比，PCFC不需要贵金属铂做催化剂，因此PCFC有望实现成本的降低，而受到广泛关注。目前Y掺杂的BaZrO₃（BZY）具有较高的电导率，并在二氧化碳和潮湿环境下展现出优异的化学稳定性，是当前最受瞩目的PCFC电解质材料。然而，作为电解质材料，不仅需要有高导电率，还需要有高离子迁移数（低空穴导电率）。但是，在高氧气分压下，BZY显示出较高的空穴导电率，由此在燃料电池和电解质制氢过程中引起漏电现象，导致电池的法拉第效率和能量效率的降低。因此，找到一种兼具高质子导电率、低空穴（或电子）导电率、优异的化学稳定性的电解质材料至关重要。

掺杂10% Y的SrZrO₃（SrZr_0.9Y_0.1O_3-δ，SZY10）是一种知名的质子导体，其在高氧分压下具有较高的离子迁移数。近日，韩东麟教授课题组对SZY10的质子和空穴导电率及迁移数展开了系统的研究。特别是，精确的分离了SZY10的晶粒和晶界电阻，构建了其与水分压的关联性。如图1所示，晶粒和晶界的质子导电率和离子迁移数随水分压增加而增大；晶粒的空穴导电率随水分压的增大而减小，而晶界处空穴导电率随水分压的变化较小。在500~700 °C时，SZY10的晶粒传导几乎是纯的质子导电，晶界处表现出明显的空穴传导。同时，采用原位X射线衍射技术，对SZY10的热膨胀和化学膨胀的各向异性进行了观察。与BZY基电解质相比，SZY10表现出与电极更匹配的热膨胀系数。水合在SZY10的a和b轴引起了化学膨胀，在c轴方向形成了化学收缩。由于SZY10的高迁移数及高热膨胀系数，其可作为BZY基电解质与电极之间的功能层使用。值得注意的是，虽然质子和空穴同带一个正电荷，但是晶界处空穴电导率的降低程度低于质子，导致晶界处的质子迁移数低于晶粒内的质子迁移数，这可能是由于空穴在晶界的空间电荷层区域存在隧穿效应的缘故（图2），具体机制有待后续研究予以进一步的解析。