新型低温燃料电池有望改变氢能利用方式

备受关注的固体氧化物燃料电池（SOFC）与电池不同，能直接将化学燃料转化为电能，只要有燃料就能持续发电，而氢燃料电池则利用氢气发电并产生水。尽管SOFC以高效和长寿命著称，但存在一大局限：需约700-800°C的极高温度才能正常工作。达到并维持这样的温度需要能承受高温的特殊材料，这使得系统成本高昂。
九州大学的研究人员在《自然·材料》发表报告称，他们已研发出能在300°C高效运行的SOFC。该团队表示，这一突破可大幅降低成本，助力低温SOFC的研发，并加快其实际应用。
每个SOFC的核心是名为电解质的组件，它是一层在燃料电池电极间传输带电粒子的陶瓷层。在氢燃料电池中，这一层传输氢离子（即质子），使电池能够发电。然而，电解质通常需要极高温度才能让这些质子保持足够快的移动速度以实现高效运行。
“将工作温度降至300°C将大幅削减材料成本，并为消费级系统打开大门，”九州大学跨学科能源研究平台的山崎佳弘教授（该研究的负责人）说，“但此前没有已知的陶瓷能在这样‘温暖’的条件下快速传输足够多的质子。因此，我们着手突破这一瓶颈。”
电解质由排列成晶格的原子构成，质子通过原子间的间隙移动。科学家多年来一直在测试各种材料和化学掺杂剂（即改变材料性能的物质），希望提高质子在晶格中的移动速度。
“但这也带来了挑战，”山崎解释道，“添加化学掺杂剂可以增加通过电解质的可移动质子数量，但通常会堵塞晶格，减慢质子速度。我们寻找的是既能容纳大量质子又能让它们自由移动的氧化物晶体——我们的新研究终于实现了这种平衡。”
该团队发现，两种氧化物——锡酸钡（BaSnO₃）和钛酸钡（BaTiO₃）——在高浓度钪（Sc）掺杂下，在300°C时达到了超过0.01 S/cm的目标质子电导率。这一电导率与当今SOFC电解质在600-700°C时的电导率相当。
“结构分析和分子动力学模拟显示，钪原子连接周围的氧原子形成‘ScO₆高速公路’，质子沿此路径迁移的势垒异常低。这条路径既宽又振动柔和，避免了通常困扰高掺杂氧化物的质子俘获问题，”山崎说。“晶格动力学数据进一步表明，锡酸钡和钛酸钡本质上比传统SOFC材料‘更软’，使其能吸收比之前假设多得多的钪。”
这些结果颠覆了增加掺杂剂与保持快速离子移动之间长期存在的权衡关系，为开发经济型中温SOFC提供了前景广阔的途径。
“除燃料电池外，同一原理还可应用于其他技术，如低温电解器、氢气泵以及将二氧化碳转化为有价值化学品的反应器，从而扩大脱碳的影响。我们的工作将一个长期存在的科学悖论转化为实用解决方案，让经济实惠的氢能离日常生活更近，”山崎总结道。