固體氧化物燃料電池(SOFC)因高效率和長(zhǎng)壽命而備受關(guān)注，但其運(yùn)行溫度通常高達(dá)700—800℃，需使用昂貴的耐高溫材料，這制約了其廣泛應(yīng)用。據(jù)最新一期《自然·材料》雜志報(bào)道，日本九州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制出可在300℃中溫條件下高效運(yùn)行的新型SOFC，有望推動(dòng)低成本、低溫SOFC的開(kāi)發(fā)，并可大幅加快其商業(yè)化進(jìn)程。

SOFC采用陶瓷作為電解質(zhì)，運(yùn)行溫度高，適合固定式發(fā)電。如果將陶瓷電解質(zhì)的運(yùn)行溫度降低，制造和維護(hù)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(guò)去的研究嘗試通過(guò)加入化學(xué)摻雜劑來(lái)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(dǎo)致晶格堵塞，使質(zhì)子運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的氧化物晶體。

研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)超過(guò)0.01S/cm的質(zhì)子電導(dǎo)率，這一數(shù)值與傳統(tǒng)SOFC電解質(zhì)在高溫運(yùn)行時(shí)的性能相當(dāng)。

結(jié)構(gòu)分析與分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示，鈧原子會(huì)將周?chē)难踉舆B接成“ScO6高速通道”，使質(zhì)子以極低的遷移勢(shì)壘快速通過(guò)。這條通道寬闊且振動(dòng)柔和，避免了高摻雜氧化物中常見(jiàn)的質(zhì)子陷阱。晶格動(dòng)力學(xué)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(jìn)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(zhǎng)期難題，為開(kāi)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(jià)值化學(xué)品的反應(yīng)器等，有望為氫能普及和減碳帶來(lái)更廣泛影響。

【總編輯圈點(diǎn)】

固體氧化物燃料電池(SOFC)發(fā)電效率高，燃料適應(yīng)性范圍廣，被視作能源領(lǐng)域的“潛力股”。不過(guò)，SOFC必須高溫運(yùn)行的特點(diǎn)提高了它的應(yīng)用成本，也延緩了其商業(yè)化進(jìn)程。此次，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(yùn)行的新型SOFC。中溫運(yùn)行意味著無(wú)需再使用昂貴耐高溫材料，制造和維護(hù)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(lái)新動(dòng)能。