香港科技大学开发新型铁基正极材料以实现质子陶瓷燃料电池创纪录性能

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香港科技大学开发新型铁基正极材料以实现质子陶瓷燃料电池创纪录性能

时间:2022-11-22 09:26来源:盖世汽车作者:Elisha

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据外媒报道，香港科技大学（HKUST）的研究人员设计了一种新型铁基正极材料，使质子陶瓷燃料电池的性能达到创纪录水平，标志着燃料电池的开发和商业化向前迈出了重要一步。

（图片来源：香港科技大学）

燃料电池利用氢气或其他燃料的化学能来高效、清洁地发电。为了应对气候变化和能源短缺，世界各地都在加紧开发这种环保能源。

作为该领域的一项新技术，质子陶瓷燃料电池（PCFC）基于质子导电陶瓷电解质，具有污染物排放低、效率高的优势，同时具有灵活性，不仅可以很好地处理氢气，还适用于其他气体，如氨、沼气和甲烷。该技术通常用于分布式发电，包括离网发电。

然而，由于缺乏高性能、低成本的正极材料，PCFC的商业化推广进程受阻。目前，钴基钙钛矿是使用最广泛的正极材料，因为钴很容易降低和提高其氧化值，从而产生优越的氧还原反应活性，对正极的性能具有重要意义。但这些材料的成本高，在采矿过程中容易造成污染，而且制备程序复杂，难以实现大规模生产。在锂离子电池中，对这种材料的需求也很高。锂离子电池通常用于电动汽车。

理想情况下，采用成本较低但反应活性相当的过渡金属，可以取代钴。在元素周期表中，铁与钴的位置很接近，具有许多相似的化学性质，但价格要低得多。然而，铁基材料通常被认为是较差的催化剂，无法产生令人满意的性能。因此，必须对材料构成进行微调，以确定性能最好的材料。

基于这个方向，由该校机械与航空航天工程系和化学与生物工程系Francesco CIUCCI教授负责的研究团队，结合第一性原理模拟、分子轨道分析和实验，使用廉价的元素（如钡、铁和锆）设计出新的低成本陶瓷，从而创造了一种具有创纪录性能的PCFC。

该团队根据基本物理化学原理和密度泛函理论来设计正极材料。通过计算导向优化，确定了Ba0.875Fe0.875Zr0.125O3-δ（D-BFZ）是最有前途的正极材料。实验表明，D-BFZ具有卓越的电化学活性，能与氧发生反应，达到较高的峰值功率密度，并具有良好的操作稳定性。此外，可以使用简单的、适合大规模生产的合成技术来生产D-BFZ，这是实现商业可行PCFC的重要一步。

Ciucci教授表示：“PCFC技术或将发挥变革性作用，而且非常有望得到进一步的发展。研究人员将利用第一性原理计算和实验，继续提高PCFC的性能。若能可逆使用，PCFC将对难以脱碳的行业产生巨大影响，如铁冶金、合成氨生产和重型运输。”

(责任编辑：子蕊)

文章标签：正极材料质子陶瓷燃料电池

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