探索質子去向，開發更好的鈣鈦礦SOFC

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種以氫為燃料發電的電化學設備，產生的“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，商界和學術界都對SOFC的發展產生了濃厚的興趣。

　　日本九州大學(Kyushu University)領導的一個研究小組發現了他們為SOFC開發的鈣鈦礦基電解質的化學內部工作原理，這可能會加速更高效SOFC的發展。該團隊結合同步輻射分析、大規模模擬、機器學習和熱分析，揭示了鈣鈦礦晶格在產生能量的過程中引入氫原子的活性位點。研究結果發表在《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子和帶負電的電子來發電的裝置。電子被用來發電，然后與質子和氧結合在一起，產生水作為“廢物"。

　　這一切的關鍵材料是電解質。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移。根據燃料電池的類型，這些原子可以是質子或氧。

　　雖然SOFC對許多人來說可能是一個不常見的術語，但該技術已經在家庭發電機中實現了商業化（大部分在日本）。盡管如此，它們仍然很昂貴，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：“傳統的SOFC需要在700-1000℃的溫度下才能有效地發揮電解質的作用。"自然，全球都在競相開發能夠在300-450℃左右的較低溫度下工作的SOFC電解質。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構的材料，這使得它們具有特別的物理、光學甚至電學性質。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更好的SOFC電解質。

　　“在我們過去的工作中，我們開發了一種化學成分為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，"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(粒子加速器發射的電磁輻射)對鈣鈦礦電解質進行了X射線吸收光譜實驗，而燃料電池在400℃左右處于活動狀態。

　　“這些結果讓我們深入了解了質子在材料化學結構中的位置。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構配置。通過仔細地將預測結果與實驗數據進行比較，我們能夠闡明電解液在活動時發生的結構變化。"

　　山崎總結道：“現在我們已經掌握了電解質的基本內部工作原理，我們可以優化它的納米結構，甚至可以提出新的材料，從而產生更高效的燃料電池，甚至可以在更寬的溫度范圍內工作。"

University

（素材來自：Kyushu University 全球氫能網、新能源網綜合）

文章來源：全球氫能網

注：已經按照全球氫能網備注來源進行轉載，章僅供大家學習之用。