不服不行！鈣鈦礦在氫燃料電池中也是“狠角色”

材料牛注：由于氫燃料電池對電解質性能要求的特殊性，其電解質材料的選擇及制備是一直讓研究人員感到棘手的問題。而美國的科研人員利用鈣鈦礦制備的固態電解質恰能滿足其性能需求。

鈣鈦礦太陽能電池由于轉換效率趕超硅基太陽能電池而在近期成為光伏發電領域的“香餑餑”。日前，普渡大學的研究人員使用鈣鈦礦制成一種新型燃料電池電解質，其發展前景同樣值得期待。

燃料電池中氧或氧化物與燃料發生反應，可以奪取燃料中的電子，從而將燃料中儲存的化學能（如氫能）轉換為電能。而處于燃料和氧化劑之間的電解質——通常為聚合物或陶瓷——用于傳導離子。

通常，燃料電池比熱機（如內燃機）更加高效和環保。然而，電解質作為燃料電池中的關鍵材料，其性能受限于它對燃料與氧化劑反應界面電子傳導的攔截能力不足。界面電子傳導不僅使燃料電池的能量輸出減少，而且會導致電解質突然失效。燃料電池電解質材料通常依據材料本身傳導特性而進行選擇，僅允許離子傳導的電解質材料被認為性能最佳。

目前，鈣鈦礦晶體價格便宜并且易于在實驗室制備，研究人員在實驗室使用鈣鈦礦制成一種鈣鈦礦釤鎳電解質用于抑制電子傳導。雖然鈣鈦礦材料對離子和電子的傳導率均較好，但鈣鈦礦中的電子對周圍的物質（如電子）存在復雜的作用效果，可以使材料本身性能發生改變。研究人員發現，當鈣鈦礦與氫燃料接觸時，氫中失去的電子與鈣鈦礦中的電子相互間產生量子力學作用，使鈣鈦礦的電子傳導率由原始狀態降低了一億倍！

而測試結果顯示，新型燃料電池在500℃時達到的最大能量輸出為225毫瓦/平方厘米，其性能不亞于相同溫度下性能最優的質子交換膜燃料電池。

此項研究的主要參與者，普渡大學材料科學家Shriram Ramanathan表示，“我們證實了一種制備適用于電化學能源裝置的固態電解質的全新方法，這為燃料電池和蓄電池的研究開啟了新的領域。”

Ramanathan認為下一步的研究方向是開發與此新型電解質相匹配的且價格便宜的電極。而隨著燃料電池系統的“改裝升級”，新型燃料電池有望應用于汽車和便攜設備的發電裝置中。

原文參考地址：Perovskites Key to New Type of Hydrogen Fuel Cell

論文地址：Strongly correlated perovskite fuel cells

感謝材料人編輯部韓振提供素材