日前，香港科技大學(HKUST) 的研究人員設計了一種創新的鐵基正極材料，以實現質子陶瓷燃料電池(PCFC)的創紀錄性能，這標志著這種有前途的可再生能源技術的開發和商業化向前邁出了重要一步。研究成果發表在Nature Catalysis（自然催化）上。

論文地址：DOI: 10.1038/s41929-022-00829-9

所謂燃料電池就是將氫分子和氧分子中所含的化學能轉化為電能、熱能和水。基于質子傳導電解質的PCFC技術是一種基于陶瓷固體電解質材料作為從陽極到陰極的質子導體的燃料電池。這些燃料電池通過從氫原子中去除一個電子，將帶電的氫原子推過陶瓷膜，并在與氧的反應過程中將電子返回到陶瓷膜另一側的氫上來發電。質子陶瓷燃料電池在陰極排放水，在陽極排放未使用的燃料、燃料反應產物和燃料雜質。陶瓷膜的常見化學成分是鋯酸鋇(BaZrO₃)、磷酸二氫銫(CsH₂PO₄)以及這些材料與其他陶瓷氧化物的復合固溶體。

雖然PCFC因低污染物排放和高熱力學效率而備受重視，但PCFC技術實現商業化的最大障礙是缺乏高性能、低成本的正極材料。目前，鈷基鈣鈦礦是應用最廣泛的正極材料。然而，不穩定的相、與其他 PCFC 組件的熱機械相容性差、高成本和不令人滿意的性能限制了這些材料的可行性。

研究團隊結合了第一性原理模擬、分子軌道分析和實驗來設計使用鋇(Ba)、鐵(Fe)和鋯(Zr)等廉價元素的新型廉價陶瓷，從而導致具有創紀錄性能的PCFC。該團隊根據基本物理化學原理和密度泛函理論設計了正極材料。通過計算引導優化，Ba_0.875Fe_0.875Zr_0.125O_3-δ(D-BFZ)被確定為最有前途的正極材料。實驗表明，它具有出色的與氧氣反應的電化學活性，可實現高峰值功率密度和出色的運行穩定性。此外，D-BFZ可以使用適合大規模生產的簡單合成技術生產，這是實現商業上可行的PCFC的重要一步。

編譯 YUXI

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