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維也納技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們正在研究可用于降低固體氧化物燃料電池工作溫度的新材料。為此，他們采用了一種創(chuàng)新方法。
固體氧化物燃料電池由三個(gè)重要部分組成：陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)。當(dāng)氧氣被納入陰極時(shí)，氧氣再通過(guò)電解質(zhì)被輸送到陽(yáng)極，在那里氧氣與氫氣反應(yīng)成水。燃料電池能夠?qū)⑦@一過(guò)程中釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能。由于這個(gè)原因，燃料電池越來(lái)越多地被用于固定的能源供應(yīng)和汽車工業(yè)。
為了將固體氧化物燃料電池的工作溫度從目前的800℃降低到450℃至600℃，維也納技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們正在研究適合在這種較低溫度下作為陰極的替代材料。Markus Kubicek和他的團(tuán)隊(duì)最近在《材料化學(xué)A期刊》上發(fā)表了他們的材料分析結(jié)果。
降低的操作溫度
自20世紀(jì)80年代以來(lái)，固體氧化物燃料電池的研究得到蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)在，研究人員正試圖開(kāi)發(fā)新的燃料電池，以提供長(zhǎng)期的高穩(wěn)定性和更便宜的制造成本。要做到這一點(diǎn)，有必要將操作溫度降低到大約450℃至600℃。 對(duì)于固體氧化物燃料電池在較低溫度下的操作，特別是陰極相當(dāng)緩慢的氧氣交換代表了一個(gè)瓶頸。因此，世界各地的研究人員正在尋找方法，開(kāi)發(fā)新的電極材料，即使在較低的溫度下也能充分快速地加入氧氣。
該校“Technical Electrochemistry” 研究部門(mén)的科學(xué)家們多年來(lái)一直在研究所謂的混合導(dǎo)電材料(MIECs)。這類材料的氧化物特別適合用于燃料電池陰極，因?yàn)樗鼈兛梢栽谳^高溫度下同時(shí)傳導(dǎo)氧離子和電子。這主要是通過(guò)缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即故意引入材料中的理想晶格的最小偏差。
“這些材料內(nèi)部最重要的缺陷是氧空位、電子和空穴。為了能夠有針對(duì)性地優(yōu)化這些材料，更好地了解這些缺陷對(duì)氧結(jié)合反應(yīng)的作用是非常重要的， ”。FWF 項(xiàng)目“氧化物原位表征”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Markus Kubicek解釋道。研究人員現(xiàn)在已經(jīng)成功地做到了這一點(diǎn)。
全球獨(dú)特的測(cè)量技術(shù)
為了測(cè)量氧結(jié)合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，研究人員使用了"原位PLD"測(cè)量技術(shù)，這在世界上是獨(dú)特的。電極材料在真空室中用激光沉積，并在沉積后直接應(yīng)用阻抗光譜法進(jìn)行測(cè)量。“由于即使是最小的雜質(zhì)也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，我們需要一種測(cè)量方法，使我們能夠檢查原始電極表面。我們?cè)谶@里第一次成功地做到了這一點(diǎn)，”固態(tài)離子學(xué)研究小組的Christoph Riedl解釋說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)：“只有通過(guò)我們?cè)谶@里開(kāi)發(fā)的原位方法，我們才能將理論模擬和實(shí)際測(cè)量結(jié)果結(jié)合起來(lái)。”
不同的材料，相同的氧氣途徑
研究人員用他們的測(cè)量方法研究了五種有前景的材料表面的氧氣交換反應(yīng)。Matthäus Siebenhofer說(shuō)：“我們測(cè)量的一個(gè)亮點(diǎn)是，我們第一次能夠觀察到，在非常不同的材料上，氧交換反應(yīng)似乎遵循相同的機(jī)制。這里的一個(gè)決定性因素是表面有無(wú)氧空位。”
固體離子學(xué)工作組組長(zhǎng)Jürgen Fleig總結(jié)道：“在這項(xiàng)研究中，我們能夠結(jié)合過(guò)去幾年的各種研究成果和實(shí)驗(yàn)發(fā)展，從而更好地描述和理解固體氧化物燃料電池領(lǐng)域十分重要的反應(yīng)。”
(原標(biāo)題：科學(xué)家正研究可用于降低固體氧化物燃料電池工作溫度的新材料)
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