日前，香港科技大學(xué)(HKUST) 的研究人員設(shè)計了一種創(chuàng)新的鐵基正極材料，以實現(xiàn)質(zhì)子陶瓷燃料電池(PCFC)的創(chuàng)紀(jì)錄性能，這標(biāo)志著這種有前途的可再生能源技術(shù)的開發(fā)和商業(yè)化向前邁出了重要一步。研究成果發(fā)表在Nature Catalysis（自然催化）上。

論文地址：DOI: 10.1038/s41929-022-00829-9

所謂燃料電池就是將氫分子和氧分子中所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能、熱能和水?；谫|(zhì)子傳導(dǎo)電解質(zhì)的PCFC技術(shù)是一種基于陶瓷固體電解質(zhì)材料作為從陽極到陰極的質(zhì)子導(dǎo)體的燃料電池。這些燃料電池通過從氫原子中去除一個電子，將帶電的氫原子推過陶瓷膜，并在與氧的反應(yīng)過程中將電子返回到陶瓷膜另一側(cè)的氫上來發(fā)電。質(zhì)子陶瓷燃料電池在陰極排放水，在陽極排放未使用的燃料、燃料反應(yīng)產(chǎn)物和燃料雜質(zhì)。陶瓷膜的常見化學(xué)成分是鋯酸鋇(BaZrO₃)、磷酸二氫銫(CsH₂PO₄)以及這些材料與其他陶瓷氧化物的復(fù)合固溶體。

雖然PCFC因低污染物排放和高熱力學(xué)效率而備受重視，但PCFC技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化的最大障礙是缺乏高性能、低成本的正極材料。目前，鈷基鈣鈦礦是應(yīng)用最廣泛的正極材料。然而，不穩(wěn)定的相、與其他 PCFC 組件的熱機械相容性差、高成本和不令人滿意的性能限制了這些材料的可行性。

研究團隊結(jié)合了第一性原理模擬、分子軌道分析和實驗來設(shè)計使用鋇(Ba)、鐵(Fe)和鋯(Zr)等廉價元素的新型廉價陶瓷，從而導(dǎo)致具有創(chuàng)紀(jì)錄性能的PCFC。該團隊根據(jù)基本物理化學(xué)原理和密度泛函理論設(shè)計了正極材料。通過計算引導(dǎo)優(yōu)化，Ba_0.875Fe_0.875Zr_0.125O_3-δ(D-BFZ)被確定為最有前途的正極材料。實驗表明，它具有出色的與氧氣反應(yīng)的電化學(xué)活性，可實現(xiàn)高峰值功率密度和出色的運行穩(wěn)定性。此外，D-BFZ可以使用適合大規(guī)模生產(chǎn)的簡單合成技術(shù)生產(chǎn)，這是實現(xiàn)商業(yè)上可行的PCFC的重要一步。

編譯 YUXI

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