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燃料电池为新风提供了呼吸

发布时间:2019-05-14 16:34:13 来源:

固体氧化物燃料电池是传统发电厂的有前途的替代品,其使用的电化学方法可以比现有的基于燃烧的发电机更有效地发电。但是燃料电池往往会降速太快,通过增加成本来消耗任何效率。

现在,威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们已经发布了有关燃料电池动力学化学反应的新见解,这有助于引领更长寿命的绿色能源设备。

“燃料电池是具有潜在破坏性能力的令人兴奋的技术,”负责该研究的威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程教授Dane Morgan说。“但退化问题一直是消费市场的主要障碍。”

他和他的合作者最近在Nature Communications杂志上描述了他们的发现。

燃料电池退化的一个原因是这些设备必须在极高的温度下运行 - 超过1500华氏度 - 以驱动产生电力的化学反应。

燃料电池将氧气与外部燃料源结合在一起,这与火灾中产生的热量和光产生的转变类似。然而,燃料电池在没有燃烧的情 这就是燃料电池能够以比燃烧效率更高的效率产生能量的原因。

相反,燃料电池在某种程度上像电池一样工作,由两个电极隔开,电极是一种传输离子的材料。其中一个电极将来自空气的氧气分成单个原子,然后可以将其输送并与燃料结合。重要的是,分裂氧气释放出可以通过电路作为电流移动到家庭或设备的电子。这种氧分解发生在称为阴极的组件上。

但氧气相当稳定,因此不愿分裂。使用相容材料在较低温度下有效驱动反应的努力具有挑战性,部分原因是研究人员确实不知道阴极发生的化学反应的原子级细节。

“以前,研究人员真的不明白限制氧气的步骤是什么,氧气会如何进入表面,分裂并进入材料,”该研究的首席学生Yipeng Cao说。

为了使氧气进入阴极,气体分子必须分成两个原子。然后每个原子必须遇到一个称为空位的结构,这是一种在材料表面允许氧气进入的小分子间隙。理解这个过程很困难,因为它发生在阴极的顶部原子层,其化学性质可能与材料的大部分完全不同。

“在前两层测量成分和空位化学极具挑战性,”摩根说。

这就是他和同事转向计算机模拟的原因。作为分子建模领域的领先专家,他们将密度泛函理论和动力学建模相结合,以获得对阴极顶部两层发生的反应的原子级洞察。

该团队确定分裂不是研究材料中的限速步骤。他们了解到,限制燃料电池效率的是氧原子在表面找到并进入空位的方式。

因此,具有更多空位的材料可能使燃料电池更有效。

“这可能使材料设计变得非常难以实现,”摩根说。

研究人员专注于一种特殊材料,一种用于许多常见燃料电池阴极的模型化合物,称为镧钴酸锶。他们计划尽快扩展分析以包含其他材料。

这些发现也可能对燃料电池产生影响。与环境交换氧气的材料有许多应用,包括水分解,CO 2还原,气体分离和称为忆阻器的电子元件。

“我认为我们对如何控制氧气交换过程有了更好的把握,”摩根说。“这是早期的,但这可能为控制氧气交换的广泛适用的设计策略打开了大门。”

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