固體氧化物燃料電池（SOFC）因高效率和長壽命而備受關(guān)注，但其運行溫度通常高達700—800℃，需使用昂貴的耐高溫材料，這制約了其廣泛應用。據(jù)最新一期《自然·材料》雜志報道，日本九州大學研究團隊研制出可在300℃中溫條件下高效運行的新型SOFC，有望推動低成本、低溫SOFC的開發(fā)，并可大幅加快其商業(yè)化進程。
SOFC采用陶瓷作為電解質(zhì)，運行溫度高，適合固定式發(fā)電。如果將陶瓷電解質(zhì)的運行溫度降低，制造和維護成本也能降低。研究發(fā)現(xiàn)，電解質(zhì)由不同原子組合并按晶格結(jié)構(gòu)排列，質(zhì)子需在這些原子間穿行。過去的研究嘗試通過加入化學摻雜劑來提高質(zhì)子傳輸速度。然而，這一方法雖然能增加質(zhì)子數(shù)量，卻常導致晶格堵塞，使質(zhì)子運動變慢。新研究旨在找到既能容納大量質(zhì)子又能讓其自由運動的氧化物晶體。
研究團隊最終發(fā)現(xiàn)，將高濃度的鈧摻雜到錫酸鋇和鈦酸鋇中，可在300℃條件下實現(xiàn)超過0.01S/cm的質(zhì)子電導率，這一數(shù)值與傳統(tǒng)SOFC電解質(zhì)在高溫運行時的性能相當。
結(jié)構(gòu)分析與分子動力學模擬顯示，鈧原子會將周圍的氧原子連接成“ScO6高速通道”，使質(zhì)子以極低的遷移勢壘快速通過。這條通道寬闊且振動柔和，避免了高摻雜氧化物中常見的質(zhì)子陷阱。晶格動力學數(shù)據(jù)還表明，錫酸鋇和鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)SOFC材料更“柔軟”，可吸收更多鈧，從而進一步提升質(zhì)子傳輸性能。
這一成果解決了摻雜量與離子傳輸效率難以兼顧的長期難題，為開發(fā)低成本、低溫SOFC提供了新路徑。研究人員表示，這一原理不僅適用于燃料電池，還可推廣到低溫電解器、氫氣泵以及將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價值化學品的反應器等，有望為氫能普及和減碳帶來更廣泛影響。
總編輯圈點
固體氧化物燃料電池（SOFC）發(fā)電效率高，燃料適應性范圍廣，被視作能源領(lǐng)域的“潛力股”。不過，SOFC必須高溫運行的特點提高了它的應用成本，也延緩了其商業(yè)化進程。此次，研究團隊通過在錫酸鋇和鈦酸鋇中摻雜高濃度鈧，成功研制出能在300℃中溫條件下高效運行的新型SOFC。中溫運行意味著無需再使用昂貴耐高溫材料，制造和維護SOFC的成本將大幅降低。該技術(shù)還可以拓展到其他領(lǐng)域，為綠色技術(shù)的發(fā)展和全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型帶來新動能。
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