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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。與其他類型的燃料電池相比，這項(xiàng)技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)勢，例如對雜質(zhì)的敏感性低、燃料靈活性高和長期穩(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)國家和發(fā)展中國家都有潛在的應(yīng)用。

盡管從能源可持續(xù)性的角度來看，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的這些固有的問題，一直阻礙著其被廣泛采用。

要克服這些障礙，需要開發(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)電率測量、化學(xué)和電穩(wěn)定性測試，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)也對氧化物離子導(dǎo)電性有貢獻(xiàn)。最后，具有孤對電子的鉍陽離子的存在也對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)展開辟一條新途徑，”八島評論道，“我們期望這些進(jìn)展將為含銣氧化物帶來新的應(yīng)用和市場，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。