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維也納技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們正在研究可用于降低固體氧化物燃料電池工作溫度的新材料。為此，他們采用了一種創(chuàng)新方法。
固體氧化物燃料電池由三個(gè)重要部分組成：陽極、陰極和電解質(zhì)。當(dāng)氧氣被納入陰極時(shí)，氧氣再通過電解質(zhì)被輸送到陽極，在那里氧氣與氫氣反應(yīng)成水。燃料電池能夠?qū)⑦@一過程中釋放的能量轉(zhuǎn)化為電能。由于這個(gè)原因，燃料電池越來越多地被用于固定的能源供應(yīng)和汽車工業(yè)。
為了將固體氧化物燃料電池的工作溫度從目前的800℃降低到450℃至600℃，維也納技術(shù)大學(xué)的科學(xué)家們正在研究適合在這種較低溫度下作為陰極的替代材料。Markus Kubicek和他的團(tuán)隊(duì)最近在《材料化學(xué)A期刊》上發(fā)表了他們的材料分析結(jié)果。
降低的操作溫度
自20世紀(jì)80年代以來，固體氧化物燃料電池的研究得到蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)在，研究人員正試圖開發(fā)新的燃料電池，以提供長期的高穩(wěn)定性和更便宜的制造成本。要做到這一點(diǎn)，有必要將操作溫度降低到大約450℃至600℃。 對(duì)于固體氧化物燃料電池在較低溫度下的操作，特別是陰極相當(dāng)緩慢的氧氣交換代表了一個(gè)瓶頸。因此，世界各地的研究人員正在尋找方法，開發(fā)新的電極材料，即使在較低的溫度下也能充分快速地加入氧氣。
該校“Technical Electrochemistry” 研究部門的科學(xué)家們多年來一直在研究所謂的混合導(dǎo)電材料(MIECs)。這類材料的氧化物特別適合用于燃料電池陰極，因?yàn)樗鼈兛梢栽谳^高溫度下同時(shí)傳導(dǎo)氧離子和電子。這主要是通過缺陷來實(shí)現(xiàn)的，即故意引入材料中的理想晶格的最小偏差。
“這些材料內(nèi)部最重要的缺陷是氧空位、電子和空穴。為了能夠有針對(duì)性地優(yōu)化這些材料，更好地了解這些缺陷對(duì)氧結(jié)合反應(yīng)的作用是非常重要的， ”。FWF 項(xiàng)目“氧化物原位表征”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Markus Kubicek解釋道。研究人員現(xiàn)在已經(jīng)成功地做到了這一點(diǎn)。
全球獨(dú)特的測量技術(shù)
為了測量氧結(jié)合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，研究人員使用了"原位PLD"測量技術(shù)，這在世界上是獨(dú)特的。電極材料在真空室中用激光沉積，并在沉積后直接應(yīng)用阻抗光譜法進(jìn)行測量。“由于即使是最小的雜質(zhì)也會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，我們需要一種測量方法，使我們能夠檢查原始電極表面。我們?cè)谶@里第一次成功地做到了這一點(diǎn)，”固態(tài)離子學(xué)研究小組的Christoph Riedl解釋說。他補(bǔ)充說：“只有通過我們?cè)谶@里開發(fā)的原位方法，我們才能將理論模擬和實(shí)際測量結(jié)果結(jié)合起來。”
不同的材料，相同的氧氣途徑
研究人員用他們的測量方法研究了五種有前景的材料表面的氧氣交換反應(yīng)。Matthäus Siebenhofer說：“我們測量的一個(gè)亮點(diǎn)是，我們第一次能夠觀察到，在非常不同的材料上，氧交換反應(yīng)似乎遵循相同的機(jī)制。這里的一個(gè)決定性因素是表面有無氧空位。”
固體離子學(xué)工作組組長Jürgen Fleig總結(jié)道：“在這項(xiàng)研究中，我們能夠結(jié)合過去幾年的各種研究成果和實(shí)驗(yàn)發(fā)展，從而更好地描述和理解固體氧化物燃料電池領(lǐng)域十分重要的反應(yīng)。”
(原標(biāo)題：科學(xué)家正研究可用于降低固體氧化物燃料電池工作溫度的新材料)
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