随着全球对清洁能源的推动日益加强，固体氧化物燃料电池已成为一种前景广阔的选择。它们能将氢气或其他可再生燃料直接转化为电能和热能，无需燃烧过程，从而消除几乎所有的污染，并将效率提升至60%以上。但一个主要缺点使其一直无法进入日常商业应用：它们需要极高的温度才能运行。
德克萨斯大学圣安东尼奥分校及其合作机构的一个研究团队找到了突破这一障碍的方法。他们没有依赖完美有序的材料，而是应用了一种热冲击技术，创造出微小的无序原子簇，使氧离子在较低温度下更容易移动。这一成果有望帮助燃料电池变得更便宜、更耐用，并在实验室之外更易于使用。
“过去的金科玉律是，要实现离子的快速移动，你需要完美的晶体 lattice，”科学学院物理与天文学系教授Chonglin Chen博士表示。“我们在这里所做的，恰恰挑战了这一假设。”
该团队近期在《科学进展》（Science Advances）上发表了他们的研究成果，江苏大学研究员、Chen团队成员Shengli Pang担任第一作者。
低于400°C的突破
Chen解释说，传统固体氧化物燃料电池（SOFC）在低于400摄氏度的温度下“运行不佳”，这使得它们极难在商业环境中使用。
传统SOFC需要极端温度，通常超过700°C，才能运行。这些如同火山般的高温会加速材料降解，需要昂贵的耐热部件来容纳热量，并导致启动时间漫长。
为解决这个问题，研究团队转向了分子纳米技术，利用极端的温度变化来制造在原子层面具有有益缺陷的材料。首先，他们将一种标准陶瓷燃料电池材料在1300°C的高温下烘烤。然后，他们通过一种称为淬火的技术将其快速冷冻——将其浸入接近–196°C的液氮中。这种剧烈的温度冲击将材料刚性的玻璃状结构打碎成超薄的微观原子簇，厚度仅为0.63纳米——小到可以在单根人类头发的宽度上堆叠数千个。
Chen表示，这个想法来自钢铁制造，其中淬火被用来改变材料的结构。该团队将这种方法应用于陶瓷，并发现由此产生的原子簇传导氧离子的效果远超预期。
在400°C下测试时，该材料实现了创纪录的氧离子电导率，约为传统陶瓷材料的1400倍。
无序的优势
这一突破挑战了材料科学中长期以来的一个假设，即最好的导体必须具有完美有序、刚性的晶体结构，原子整齐排列，如同高速公路上清晰的车道。
但当团队用电子显微镜和X射线分析检查他们的新材料时，他们发现这些微小碎片内部的原子是无序和混乱的。然而它们仍然表现良好。
这是因为在传统材料中，原子级的路径最终会因原子在应力下团聚而堵塞，形成中断能量流动的瓶颈。但在新的无序纳米团簇内部，氧空位保持分离和活跃状态，同时相互作用形成一个允许离子更自由移动的网络。
“通过这些空位隔离的团簇，我们创造了一个混沌、高度动态的网络，其中氧空位保持独立，”Chen解释说。“我们不是对抗无序，而是利用它来为离子创造一种高速通道。”
这对清洁能源意味着什么
为了证明商业可行性，该团队测试了这种材料是否能改善实际的燃料电池性能。通过在传统的钴基燃料电池阴极中混合痕量的这些团簇——仅占重量的0.5%——他们将燃料电池的峰值功率输出提高了两倍（即达到原来的三倍）。
除了提高功率，这些团簇还增强了耐久性。标准燃料电池降解迅速，在高温的强烈应力下，每运行100小时功率会损失超过13%。但添加了无序纳米团簇的燃料电池在使用中稳定性和效率反而提高了3.4%。
“它起到了原子盾牌的作用，在提高功率的同时，积极阻止了通常会导致这些设备失效的降解过程，”Chen说。
Chen认为，制造商可能很容易采用这种方法，因为它只需要少量新材料，而无需对现有系统进行彻底重新设计。他们目前正在研究扩大生产规模的方法。
“这将使我们向实用的下一代绿色能源更近一步，”Chen补充道。
原文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.aec8053
（素材来自：德克萨斯大学圣安东尼奥分校 全球氢能网、新能源网综合）
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