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的创纪录性能

2022-11-21 16:44:25 | 来源:盖世汽车


【资料图】

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。”

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