改善燃料電池電極壽命及性能的方法問世啦

材料牛注：麻省理工學院的研究者們研發了一種可行的基于物理的處理鈣鈦礦型復合氧化物材料表面的方式，從而使得這種材料更加耐用，性能也得到改善。

麻省理工學院的研究者們研發了一種可行的基于物理的處理鈣鈦礦型復合氧化物材料表面的方式，從而使得這種材料更加耐用，性能也得到改善。這些材料是如燃料電池和電解器等能量轉換設備中電極的很有前景的候選者。這種表面處理可以解決阻礙燃料電池技術廣泛發展的主要挑戰之一，當可逆操作時，其為可再生能源儲存提供了一種不錯的替代物。

新發現將于今天見刊于Nature Materials雜志，這篇文章由麻省理工學院原子能科學工程和材料科學工程學院副教授Bilge Yildiz、前任麻省理工學院博士后Nikolai Tsvetkov、研究生Qiyang Lu和Lixin Sun以及勞倫斯伯克利國家試驗室的Ethan Crumlin共同完成。

鈣鈦礦型礦物近幾年成為了一個研究的熱門，從燃料電池電極到計算機永存性記憶芯片，再到通過水和二氧化碳分解的太陽能熱化學燃料生產，其在這些領域有著潛在的應用。它們是氧化物材料中的一大類，許多研究團隊探索著鈣鈦礦組成的多樣性以尋找不同用途中最有前景的候選者。但是該材料表面的相對不穩定性已經成為其使用的最大限制之一。

Yildiz解釋道，當暴露于溫度升高的水或氧氣、二氧化碳之類的氣體中時，這些材料的表面會由于化學偏析和相分離而降解。她還說道，“同該領域其他研究者一樣，我們發現了在過去幾年里，這些鈣鈦礦型礦物的表面上有一層氧化鍶覆蓋，這個覆蓋層阻隔了氧還原和氧析出，是燃料電池、電解器和熱化學燃料生產的關鍵。這個電極表面的覆蓋層對設備的效率和穩定性是不利的，造成表面反應減慢多于一個數量級。”

在早期的工作中，Yildiz和她的團隊發現了這些不利的表面鍶分離背后的原因。她說道，“我們發現這是由表面氧空穴的富集控制的。氧空穴是晶格中的原子缺陷，即氧原子的缺失。然后解決方式是去除一些氧空穴。”這種想法與傳統理解氧空穴與氧分子在鈣鈦礦氧化物表面反應和改善燃料電池中氧還原反應的速率相反。

因此，Yildiz認為僅僅在鈣鈦礦表面添加小部分可氧化元素消除了一些氧空穴，使得表面更易氧化，并阻止了該材料表面氧交換反應隔離相的形成。就這樣，該表面保持了鈣鈦礦氧化物固有的優良電子的、離子的和催化性能，并且保證了快速的氧交換反應。

該團隊的分析表明就組成和濃度而言，在表面增加可氧化元素有一個平衡點。在這些最初的試驗中，他們嘗試不同的元素來提供保護作用。這種改善提高到了一定的濃度后，再添加更多的表面添加劑會起到相反的作用。所以對于任何材料來說，他們發現都有一個最適宜的添加量。使用鉿元素，新的處理方式表明能夠降低降解速率，表面氧交換反應速率提高三十倍。

Yildiz認為該結果確實是出乎意料的，她還說道，“沒有人曾試圖在該領域使用鉿來改善什么，”因為這種元素或它的氧化物自身幾乎并未表現出反應活性。但是作為鈣鈦礦型礦物的一種表面處理方式，在所有測試的元素中它有著很大的改善。她接著解釋道，“這是因為它能提供在表面穩定性和氧空穴可獲得性之間的一種平衡。”

重要的是，Yildiz補充道，“我們相信這項工作的價值不僅僅是發現了燃料電池電極耐久性的一個潛在改進，也在于從根本上提供了這項改進背后的機制。因此，我們對于使用高等的光源的原位X射線光譜實驗很嚴謹。”

這個表面處理的過程很簡便，僅僅需要微量的從金屬氯化物溶液中沉積出來的添加元素。Yildiz說道，“我們添加到表面的是很小的量，所以并不會改變主體材料的性能。”事實上，表面處理的量并未超過一個原子層。

這些發現對于鈣鈦礦氧化物電催化劑在應用方面意義重大，包括固體氧化物燃料電池。她解釋道，“鈣鈦礦氧化物大部分電子和離子的性能非常好，它們在燃料電池方面的應用已經優化了幾十年。但是目前的瓶頸是改善表面氧還原反應動力學，而且由于該材料表面的性能并未像預期的那樣好，使得許多團隊在研究過程中受阻。”目前研究者們表明他們明白了問題發生的原因，并知道了如何處理。

John Kilner，倫敦帝國理工學院能源材料系的一名教授，并未參與這項研究工作，說道，“這些觀察可用于在較低的降解速率下產生更耐用的燃料電池，這也成為固體氧化物燃料電池研發者眼中一個重要的目標。”

斯坦福大學材料科學與工程學院的副教授William Chueh，也與該項研究也沒有聯系，說道，“在大多數催化材料中，穩定性和材料本身優良的性能往往不可兼得——最活躍的催化劑也是最不穩定的。在這項工作中，Yildiz和其合作者發現了一種大幅改善鈷基電催化劑的穩定性的新方法，僅僅在表面添加少量的摻雜物。”

Chueh補充道，“這項工作最有前景的應用是大幅改善固體氧化物燃料電池的穩定性。這是控制成本、限制這項技術廣泛應用的關鍵問題。這項工作無論是在基本見解還是技術啟示上，都是極好的。”

原文參考地址：Researchers find a way to extend life and improve performance of fuel cell electrodes

感謝材料人編輯部王宇提供素材