探索质子去向以开发更好的燃料电池
固体氧化物燃料电池或 SOFC 是一种电化学装置，它使用氢作为燃料发电，唯一的“废物”产物是水。自然地，当我们努力减少碳排放并减轻气候危机造成的损失时，企业界和学术界都对 SOFC 的开发产生了浓厚兴趣。
九州大学领导的一个研究小组发现了他们为 SOFC 开发的基于钙钛矿的电解质的化学内部结构，这可能会加速更高效的 SOFC 的开发。该团队结合了同步辐射分析、大规模模拟、机器学习和热重分析，以揭示在其产生能量的过程中氢原子被引入钙钛矿晶格中的活性位点。结果发表在《材料化学》杂志上。
从根本上讲，燃料电池只是一种通过促进氢原子分裂成带正电的质子和带负电的电子来发电的装置。电子用于发电，然后与质子和氧气一起产生水作为“废物”产品。
所有这一切的真正中心材料是电解质。这种材料充当原子筛，促进特定原子在燃料电池中的转移。根据燃料电池的类型，这些原子可能是质子或氧。
虽然 SOFC 对许多人来说可能是一个不常见的术语，但该技术已经在单户住宅的发电机中实现了商业化。尽管如此，它们仍然很昂贵，最大的障碍之一是其高工作温度。
“传统的 SOFC 需要在 700-1000℃ 的温度下电解质才能有效发挥作用。” 负责这项研究的九州大学跨学科能源研究平台 Yoshihiro Yamazaki 教授解释道。“自然地，全球都在竞相开发可以在 300-450℃ 左右的较低温度下运行的 SOFC 电解质。钙钛矿就是这样一种有前途的材料。”
钙钛矿是一类具有特定晶体结构的材料，使其具有独特的物理、光学甚至电学特性。此外，由于它们可以用不同的原子人工合成，因此大量研究集中在开发和测试几乎无限数量的可能的钙钛矿上。
一个这样的案例是开发更好的 SOFC 电解质。
“在我们过去的工作中，我们开发了一种化学成分为 BaZrO 3 的钡和锆基钙钛矿。通过用高浓度的钪或 Sc 取代 Zr 位点，我们成功地制造了一种高性能电解质，可以在我们的目标上发挥作用400℃的温度，”山崎解释道。“当然，这只是我们想要找到的一部分。我们还在研究一个三十多年来一直没有解决的问题：质子在电解质晶格中的什么位置被引入?”
由于 SOFC 的高工作温度和不断变化的压力(燃料电池的氢源)，探测 SOFC 的内部工作一直很困难。
为了解决这些问题，该团队使用同步辐射(粒子加速器发出的电磁辐射)对钙钛矿电解质进行了 X 射线吸收光谱实验，同时燃料电池在 400℃ 左右处于活动状态。
“这些结果让我们深入了解质子在材料化学结构中的位置。我们从那里应用机器学习，并使用超级计算机计算材料的可能结构配置，”山崎继续说道。“通过将预测结果与实验数据仔细比较，我们能够阐明电解质在活跃时发生的结构变化。”
Yamazaki 总结道：“既然我们已经了解了电解质的基本内部结构，我们就可以优化其纳米结构，甚至可以提出新材料来制造更高效的燃料电池，甚至是可以在更宽温度范围内工作的燃料电池。”
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