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SOFC是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)設(shè)備，效率高，對(duì)環(huán)境影響低。氧化物離子導(dǎo)體使氧化物離子（O²?）能夠在SOFC中傳輸，可以使用多種燃料，而不僅僅是氫氣，包括天然氣、沼氣，甚至某些液態(tài)碳?xì)浠衔铩＿@種靈活性使其在向氫經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型期間特別有價(jià)值。

SOFC在高溫（通常為600°C-1000°C）下運(yùn)行，這允許更廣泛的燃料選擇和高轉(zhuǎn)換效率。與其他類(lèi)型的燃料電池相比，這項(xiàng)技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，例如對(duì)雜質(zhì)的敏感性低、燃料靈活性高和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。此外，SOFC可用于各個(gè)領(lǐng)域，包括固定電源、運(yùn)輸和便攜式電子產(chǎn)品，在發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家都有潛在的應(yīng)用。

盡管從能源可持續(xù)性的角度來(lái)看，固體氧化物燃料電池具有變革性的潛力，但其廣泛應(yīng)用仍受諸多因素限制，比如制造成本高昂，耐久性差，而且需要在極高的溫度下才能正常工作。SOFC的這些固有的問(wèn)題，一直阻礙著其被廣泛采用。

要克服這些障礙，需要開(kāi)發(fā)出更好的氧化物離子導(dǎo)體，世界各地的研究人員一直在嘗試具有不同化學(xué)成分的新材料。
SOFC的潛在變革者

日本東京科學(xué)大學(xué)團(tuán)隊(duì)一直在尋找能讓氧離子（O²?）在燃料電池內(nèi)部快速移動(dòng)的更好材料。研究人員選擇銣基材料作為理想解決方案。

由于其獨(dú)特的特性，銣被選為主要成分。首先，大原子尺寸有助于在晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生許多間隙，為氧離子的移動(dòng)創(chuàng)造了有利條件。銣離子（Rb+）是較大的陽(yáng)離子之一（僅次于銫離子），這意味著其結(jié)構(gòu)中有更多的“自由空間”，導(dǎo)致氧化物離子導(dǎo)電所需的活化能更低，也使材料的導(dǎo)電性更強(qiáng)。

其次，銣的活化能水平低，這減少了傳輸離子所需的能量量，從而提高了材料的導(dǎo)電性。這意味著氧離子能夠在含銣的結(jié)構(gòu)內(nèi)自由移動(dòng)。

基于這一想法，研究人員首先使用基于鍵價(jià)的能量計(jì)算對(duì)475種含銣的氧化物進(jìn)行了計(jì)算篩選。他們發(fā)現(xiàn)，與天然存在的礦物棕櫚石相似的棕櫚石型氧化物材料，其氧化物離子遷移的能壘相對(duì)較低。

鑒于先前的研究表明，一些含鉍（Bi）的材料和含鉬（Mo）的氧化物具有較高的氧化物離子導(dǎo)電性，該團(tuán)隊(duì)選擇了Rb₅BiMo₄O₁₆作為有前景的候選材料。

為了驗(yàn)證這一選擇，他們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，包括材料合成、導(dǎo)電率測(cè)量、化學(xué)和電穩(wěn)定性測(cè)試，以及詳細(xì)的成分和晶體結(jié)構(gòu)分析。他們還進(jìn)行了理論計(jì)算和從頭算分子動(dòng)力學(xué)模擬，以探究所測(cè)性能背后的潛在機(jī)制。

研究結(jié)果非常令人鼓舞。正如八島所言：“令人驚訝的是，Rb₅BiMo₄O₁₆在300°C時(shí)表現(xiàn)出高達(dá)0.14mS/cm的氧化物離子電導(dǎo)率，這是在300°C時(shí)穩(wěn)定氧化釔的氧化物離子電導(dǎo)率的29倍，可與具有類(lèi)似四面體比例的領(lǐng)先氧化離子導(dǎo)體相媲美。”

銣燃料電池成為可能

銣有助于清潔能源技術(shù)，例如燃料電池、傳感器和催化劑。

研究團(tuán)隊(duì)確定了幾個(gè)因素來(lái)解釋這種異常的氧化物離子電導(dǎo)率。首先，銣的大原子有助于氧化物離子導(dǎo)電性的低活化能。這種氧化物離子導(dǎo)電性還因晶體晶格中MoO?四面體的旋轉(zhuǎn)和排列而進(jìn)一步增強(qiáng)。此外，材料中氧原子的各向異性大熱振動(dòng)也對(duì)氧化物離子導(dǎo)電性有貢獻(xiàn)。最后，具有孤對(duì)電子的鉍陽(yáng)離子的存在也對(duì)降低氧化物離子遷移的活化能起著重要作用。

Rb₅BiMo₄O₁₆的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是在各種條件下（包括二氧化碳流、濕空氣流、濕氮?dú)庵泻?%氫氣的流體）在高溫下仍具有穩(wěn)定性，其在約21°C的水中也保持穩(wěn)定。其在各種條件下的穩(wěn)定性為固體氧化物燃料電池和清潔能源技術(shù)提供了有前景的發(fā)展方向。

“發(fā)現(xiàn)具有高導(dǎo)電性和高穩(wěn)定性的含銣氧化物可能為氧化物離子導(dǎo)體的發(fā)展開(kāi)辟一條新途徑，”八島評(píng)論道，“我們期望這些進(jìn)展將為含銣氧化物帶來(lái)新的應(yīng)用和市場(chǎng)，并有助于降低固體氧化物燃料電池的工作溫度和降低其成本。”

Rb₅BiMo₄O₁₆化合物不僅提供了出色的性能，而且在高溫、潮濕環(huán)境和水暴露等許多極端條件下也能保持穩(wěn)定性。這開(kāi)辟了這種材料在清潔能源系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的前景。

在這一領(lǐng)域的進(jìn)一步研究,可能會(huì)為可持續(xù)能源應(yīng)用中性能更優(yōu)的氧化物離子導(dǎo)體鋪平道路，同時(shí)也會(huì)為諸如氧氣膜、氣體傳感器和催化劑等設(shè)備的研發(fā)提供助力，并有助于固體氧化物燃料電池在更低的溫度下運(yùn)行，從而使其成本更低、更耐用，并且在各種能源應(yīng)用中更易于使用，并助力向更清潔的能源過(guò)渡。

他們的研究成果于2025年2月2日在線發(fā)表在《材料化學(xué)（he journal Chemistry of Materials）》雜志上。