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研究人员设计铁基阴极以实现质子陶瓷燃料电池的创纪录性能

香港科技大学(科大)的研究人员设计出一种创新的铁基阴极材料,使质子陶瓷燃料电池的性能达到创纪录水平,标志着这一前景广阔的可再生能源技术的开发和商业化向前迈出了重要一步。

燃料电池利用氢气或其他燃料的化学能高效清洁地发电,是全球为应对气候变化和能源短缺而大力发展的环保能源。

该领域的一项新技术,质子陶瓷燃料电池(PCFC)基于质子传导陶瓷电解质,具有污染物排放低、效率高以及不仅适用于氢气而且适用于氨等其他气体的灵活性等优点、沼气和甲烷。它们一般用于分布式发电,包括离网发电。

然而,由于缺乏高性能和低成本的正极材料,PCFCs的广泛商业化受到阻碍。目前,钴基钙钛矿是应用最广泛的正极材料,因为钴可以很容易地降低和提高其氧化数,从而产生对正极性能至关重要的优异氧还原反应活性。

然而,这些材料成本高,在采矿中造成污染,并且需要复杂的制备程序,不适合大规模生产。它们在锂离子电池中的需求量也很大,锂离子电池通常用于电动汽车。

理想情况下,钴需要被成本更低但反应性相当的过渡金属取代。铁在元素周期表中靠近钴,具有许多相似的化学性质,但便宜得多。然而,铁基材料通常被认为是较差的催化剂,导致性能不尽如人意。因此,必须对材料的成分进行微调,以确定性能最佳的材料。

朝着这个方向努力,由机械与航空航天工程系和化学与生物工程系的FrancescoCIUCCI教授领导的研究团队结合了第一性原理模拟、分子轨道分析和实验,设计出使用廉价的新型廉价陶瓷。元素,例如钡(Ba)、铁(Fe)和锆(Zr),从而使PCFC具有创纪录的性能。

该团队根据基本物理化学原理和密度泛函理论设计了正极材料。通过计算引导优化,Ba0.875Fe0.875Zr0.125O3-δ(D-BFZ)被确定为最有前途的正极材料。实验表明,D-BFZ具有出色的电化学活性,可与氧气反应,实现高峰值功率密度,在该领域名列前茅,并具有出色的操作稳定性。此外,D-BFZ可以使用简单的、适合大规模生产的合成技术生产,这是实现商业上可行的PCFC的重要一步。

“PCFC技术可能具有变革性,并且有许多令人兴奋的机会可以进一步发展它。我们将继续利用第一性原理计算和实验来提高PCFC的性能。如果可逆地使用,PCFC将对难以实现的领域产生巨大影响。脱碳行业,例如铁冶炼、氨生产和重型运输,”Ciucci教授说。

该团队的研究工作最近发表在NatureCatalysis上,并在NatureReviewsMaterials上得到强调。

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