非对称陶瓷膜是气体分离、能源转换等前沿领域的关键组件，其典型结构为一个多孔支撑基底和一层必须完全致密的功能薄膜。将二者通过高温共烧结形成一体化结构，是制备非对称陶瓷膜的关键步骤与长期挑战。

近期，中国科学院大连化学物理研究所团队提出了自压缩应力策略，为涉及“多孔支撑体—致密功能层”结构的先进陶瓷膜制备，提供了一条通往高性能、低成本、低温制造的全新路径。

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变“收缩失配”

为“致密动力”

由于非对称陶瓷膜的两层材料在高温下的收缩行为失配，非对称膜极易发生开裂、翘曲。更严重的是，高温本身会引发元素挥发、杂质偏析和层间有害迁移，严重损害材料性能。因此，探索一条不依赖极端高温的非对称膜高质量共烧路径，能够从根本上抑制高温损伤。

针对这一难题，研究团队提出了一种颠覆性的逆向思维：主动利用多孔载体与功能薄膜的收缩差异，将其转化为非对称膜的致密化驱动力。

如果让多孔支撑体在烧结时比功能薄膜收缩得更快、更剧烈，那么支撑体就会像一个从外围均匀收紧的“模具”，对薄膜施加持续、均匀的径向压缩应力。

这种自压缩应力就像在材料内部集成了一台微型压力机，能从四面八方“挤压”薄膜，强力促进颗粒重排、孔洞排除，从而有望在低温实现非对称膜高质量、无缺陷的共烧致密化。

这项研究成功将非对称膜制备中的经典矛盾——层间收缩失配，转化为可精确调控的、强大的致密化驱动力。

双参数调控自压缩应力实现电解质低温致密化

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双“旋钮”调控

研究团队将这一创新策略率先应用于极具前景的质子导体固体氧化物燃料电池体系。

该体系的核心电解质功能层采用典型的BCZY712陶瓷，这种陶瓷材料以优异的质子传导能力著称，是实现中低温高效发电与电解的关键。

团队通过两个关键“调控旋钮”，精准“驾驭”自压缩应力促进共烧结。一个是孔隙调控，在阳极支撑体中加入淀粉造孔剂（含量达30wt%），增加其收缩潜力；另一个是预烧调控，将阳极支撑体在相对较低的900℃进行预烧结，保留其大部分收缩能力。

采用此优化策略，团队成功在1300℃这一显著降低的温度下，实现了BCZY712陶瓷非对称膜层的致密化，相对密度达到约99%。

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性能全面提升

自压缩策略无需复杂设备且与现有陶瓷烧结工艺高度兼容，这一基于自压缩应力的低温致密化策略，从根本上遏制了高温烧结带来的本征损伤。

对比传统高温烧结的电池，采用该策略制备的电池展现出显著的材料优势：钡挥发锐减，电解质表面关键元素损失大幅降低；杂质消失，无氧化钇杂质在结晶时分布不均匀的现象；镍迁移受阻，来自支撑体的镍迁移含量降低了73%至89%。

同时，化学成分的精确保持也带来了性能的提升，单电池峰值功率密度比传统电池提升89%，电解质质子电导率提升151%，且电池表现出优异的长期运行稳定性，验证了该低温制备策略的可靠性。

来源：中国科学院大连化学物理研究所

责任编辑：曹旸