據(jù)外媒報道，香港科技大學(HKUST)的研究人員設計了一種新型鐵基正極材料，使質(zhì)子陶瓷燃料電池的性能達到創(chuàng)紀錄水平，標志著燃料電池的開發(fā)和商業(yè)化向前邁出了重要一步。

(圖片來源：香港科技大學)

燃料電池利用氫氣或其他燃料的化學能來高效、清潔地發(fā)電。為了應對氣候變化和能源短缺，世界各地都在加緊開發(fā)這種環(huán)保能源。

作為該領域的一項新技術，質(zhì)子陶瓷燃料電池(PCFC)基于質(zhì)子導電陶瓷電解質(zhì)，具有污染物排放低、效率高的優(yōu)勢，同時具有靈活性，不僅可以很好地處理氫氣，還適用于其他氣體，如氨、沼氣和甲烷。該技術通常用于分布式發(fā)電，包括離網(wǎng)發(fā)電。

然而，由于缺乏高性能、低成本的正極材料，PCFC的商業(yè)化推廣進程受阻。目前，鈷基鈣鈦礦是使用最廣泛的正極材料，因為鈷很容易降低和提高其氧化值，從而產(chǎn)生優(yōu)越的氧還原反應活性，對正極的性能具有重要意義。但這些材料的成本高，在采礦過程中容易造成污染，而且制備程序復雜，難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。在鋰離子電池中，對這種材料的需求也很高。鋰離子電池通常用于電動汽車。

理想情況下，采用成本較低但反應活性相當?shù)倪^渡金屬，可以取代鈷。在元素周期表中，鐵與鈷的位置很接近，具有許多相似的化學性質(zhì)，但價格要低得多。然而，鐵基材料通常被認為是較差的催化劑，無法產(chǎn)生令人滿意的性能。因此，必須對材料構(gòu)成進行微調(diào)，以確定性能最好的材料。

基于這個方向，由該校機械與航空航天工程系和化學與生物工程系FrancescoCIUCCI教授負責的研究團隊，結(jié)合第一性原理模擬、分子軌道分析和實驗，使用廉價的元素(如鋇、鐵和鋯)設計出新的低成本陶瓷，從而創(chuàng)造了一種具有創(chuàng)紀錄性能的PCFC。

該團隊根據(jù)基本物理化學原理和密度泛函理論來設計正極材料。通過計算導向優(yōu)化，確定了Ba0.875Fe0.875Zr0.125O3-δ(D-BFZ)是最有前途的正極材料。實驗表明，D-BFZ具有卓越的電化學活性，能與氧發(fā)生反應，達到較高的峰值功率密度，并具有良好的操作穩(wěn)定性。此外，可以使用簡單的、適合大規(guī)模生產(chǎn)的合成技術來生產(chǎn)D-BFZ，這是實現(xiàn)商業(yè)可行PCFC的重要一步。

Ciucci教授表示：“PCFC技術或?qū)l(fā)揮變革性作用，而且非常有望得到進一步的發(fā)展。研究人員將利用第一性原理計算和實驗，繼續(xù)提高PCFC的性能。若能可逆使用，PCFC將對難以脫碳的行業(yè)產(chǎn)生巨大影響，如鐵冶金、合成氨生產(chǎn)和重型運輸。”

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