探索質(zhì)子去向，開發(fā)更好的鈣鈦礦SOFC

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種以氫為燃料發(fā)電的電化學設備，產(chǎn)生的“廢物"是水。自然，在我們努力減少碳排放和減輕氣候危機造成的損失之際，商界和學術(shù)界都對SOFC的發(fā)展產(chǎn)生了濃厚的興趣。

　　日本九州大學(Kyushu University)領導的一個研究小組發(fā)現(xiàn)了他們?yōu)镾OFC開發(fā)的鈣鈦礦基電解質(zhì)的化學內(nèi)部工作原理，這可能會加速更高效SOFC的發(fā)展。該團隊結(jié)合同步輻射分析、大規(guī)模模擬、機器學習和熱分析，揭示了鈣鈦礦晶格在產(chǎn)生能量的過程中引入氫原子的活性位點。研究結(jié)果發(fā)表在《材料化學》雜志上。

　　在基本層面上，燃料電池是一種通過促進氫原子分裂成帶正電的質(zhì)子和帶負電的電子來發(fā)電的裝置。電子被用來發(fā)電，然后與質(zhì)子和氧結(jié)合在一起，產(chǎn)生水作為“廢物"。

　　這一切的關(guān)鍵材料是電解質(zhì)。這種材料充當了一個原子篩，促進了特定原子在燃料電池中的轉(zhuǎn)移。根據(jù)燃料電池的類型，這些原子可以是質(zhì)子或氧。

　　雖然SOFC對許多人來說可能是一個不常見的術(shù)語，但該技術(shù)已經(jīng)在家庭發(fā)電機中實現(xiàn)了商業(yè)化（大部分在日本）。盡管如此，它們?nèi)匀缓馨嘿F，的障礙之一是它需要較高的工作溫度。

　　領導這項研究的日本九州大學跨學科能源研究平臺的山崎義弘(Yoshihiro Yamazaki)教授解釋說：“傳統(tǒng)的SOFC需要在700-1000℃的溫度下才能有效地發(fā)揮電解質(zhì)的作用。"自然，全球都在競相開發(fā)能夠在300-450℃左右的較低溫度下工作的SOFC電解質(zhì)。其中一種很有前途的材料就是鈣鈦礦。"

　　鈣鈦礦是一類具有特定晶體結(jié)構(gòu)的材料，這使得它們具有特別的物理、光學甚至電學性質(zhì)。此外，由于它們可以用不同的原子人工合成，大量研究集中在開發(fā)和測試幾乎無限多的可能的鈣鈦礦組成上。

　　其中一個例子就是開發(fā)更好的SOFC電解質(zhì)。

　　“在我們過去的工作中，我們開發(fā)了一種化學成分為BaZrO3的鋇鋯基鈣鈦礦。通過用高濃度的鈧或Sc取代Zr位點，我們成功地制造了一種可以在目標溫度400℃下工作的高性能電解質(zhì)，"山崎解釋道。當然，這只是我們想要找到的一部分。我們還在研究一個30多年來一直沒有解決的問題：質(zhì)子是在電解液晶格的什么地方被引入的？"

　　由于SOFC的高工作溫度和水(燃料電池的氫來源)的壓力變化，探測其內(nèi)部工作原理一直很困難。

　　為了解決這些問題，研究小組利用同步輻射(粒子加速器發(fā)射的電磁輻射)對鈣鈦礦電解質(zhì)進行了X射線吸收光譜實驗，而燃料電池在400℃左右處于活動狀態(tài)。

　　“這些結(jié)果讓我們深入了解了質(zhì)子在材料化學結(jié)構(gòu)中的位置。在此基礎上，我們應用了機器學習，并使用超級計算機計算出了材料可能的結(jié)構(gòu)配置。通過仔細地將預測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行比較，我們能夠闡明電解液在活動時發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。"

　　山崎總結(jié)道：“現(xiàn)在我們已經(jīng)掌握了電解質(zhì)的基本內(nèi)部工作原理，我們可以優(yōu)化它的納米結(jié)構(gòu)，甚至可以提出新的材料，從而產(chǎn)生更高效的燃料電池，甚至可以在更寬的溫度范圍內(nèi)工作。"

University

（素材來自：Kyushu University 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）

文章來源：全球氫能網(wǎng)

注：已經(jīng)按照全球氫能網(wǎng)備注來源進行轉(zhuǎn)載，章僅供大家學習之用。