香港科技大學開發新型鐵基正極材料 以實現質子陶瓷燃料電池的創紀錄性能

據外媒報道，香港科技大學(HKUST)的研究人員設計了一種新型鐵基正極材料，使質子陶瓷燃料電池的性能達到創紀錄水平，標志著燃料電池的開發和商業化向前邁出了重要一步。

(圖片來源：香港科技大學)

燃料電池利用氫氣或其他燃料的化學能來高效、清潔地發電。為了應對氣候變化和能源短缺，世界各地都在加緊開發這種環保能源。

作為該領域的一項新技術，質子陶瓷燃料電池(PCFC)基于質子導電陶瓷電解質，具有污染物排放低、效率高的優勢，同時具有靈活性，不僅可以很好地處理氫氣，還適用于其他氣體，如氨、沼氣和甲烷。該技術通常用于分布式發電，包括離網發電。

然而，由于缺乏高性能、低成本的正極材料，PCFC的商業化推廣進程受阻。目前，鈷基鈣鈦礦是使用最廣泛的正極材料，因為鈷很容易降低和提高其氧化值，從而產生優越的氧還原反應活性，對正極的性能具有重要意義。但這些材料的成本高，在采礦過程中容易造成污染，而且制備程序復雜，難以實現大規模生產。在鋰離子電池中，對這種材料的需求也很高。鋰離子電池通常用于電動汽車。

理想情況下，采用成本較低但反應活性相當的過渡金屬，可以取代鈷。在元素周期表中，鐵與鈷的位置很接近，具有許多相似的化學性質，但價格要低得多。然而，鐵基材料通常被認為是較差的催化劑，無法產生令人滿意的性能。因此，必須對材料構成進行微調，以確定性能最好的材料。

基于這個方向，由該校機械與航空航天工程系和化學與生物工程系FrancescoCIUCCI教授負責的研究團隊，結合第一性原理模擬、分子軌道分析和實驗，使用廉價的元素(如鋇、鐵和鋯)設計出新的低成本陶瓷，從而創造了一種具有創紀錄性能的PCFC。

該團隊根據基本物理化學原理和密度泛函理論來設計正極材料。通過計算導向優化，確定了Ba0.875Fe0.875Zr0.125O3-δ(D-BFZ)是最有前途的正極材料。實驗表明，D-BFZ具有卓越的電化學活性，能與氧發生反應，達到較高的峰值功率密度，并具有良好的操作穩定性。此外，可以使用簡單的、適合大規模生產的合成技術來生產D-BFZ，這是實現商業可行PCFC的重要一步。

Ciucci教授表示：“PCFC技術或將發揮變革性作用，而且非常有望得到進一步的發展。研究人員將利用第一性原理計算和實驗，繼續提高PCFC的性能。若能可逆使用，PCFC將對難以脫碳的行業產生巨大影響，如鐵冶金、合成氨生產和重型運輸。”

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