在可能啟動包括燃料電池在內(nèi)的一系列技術(shù)(存儲太陽能和風能的關(guān)鍵)的研究中，麻省理工學院的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種相對簡單的方法來增加這些設(shè)備的壽命：改變系統(tǒng)的“pH”。

由稱為固體金屬氧化物的材料制成的燃料電池和電解電池之所以受到關(guān)注，有幾個原因。例如，在電解模式下，它們非常有效地將可再生能源的電力轉(zhuǎn)化為可用于燃料電池的氫氣或甲烷等可儲存燃料模式，在沒有陽光或沒有風時發(fā)電不吹。它們也可以在不使用鉑等昂貴金屬的情況下制造。然而，它們的商業(yè)可行性受到了阻礙，部分原因是它們會隨著時間的推移而退化。從用于構(gòu)建燃料/電解電池組的互連中滲出的金屬原子會慢慢毒化設(shè)備。

“我們能夠證明的是，我們不僅可以逆轉(zhuǎn)這種退化，而且通過控制空氣電極界面的酸度實際上將性能提高到初始值之上，”RPSimmons教授HarryL.Tuller說。麻省理工學院材料科學與工程系(DMSE)的陶瓷和電子材料。

該研究最初由美國能源部通過化石能源辦公室和碳管理辦公室(FECM)國家能源技術(shù)實驗室資助，應有助于該部實現(xiàn)其在2035-2050年之前顯著降低固體氧化物燃料電池降解率的目標.

“延長固體氧化物燃料電池的使用壽命有助于實現(xiàn)清潔能源未來所需的低成本、高效制氫和發(fā)電，”FECM氫碳管理部門代理主任羅伯特·施雷森戈斯特說。“該部門贊揚這些進步使這些技術(shù)成熟并最終商業(yè)化，以便我們能夠為美國人民提供清潔可靠的能源。”

“我的整個職業(yè)生涯都在這個領(lǐng)域工作，到目前為止，我所看到的主要是漸進式改進，”圖勒說，他最近被任命為2022年材料研究學會研究員，因為他在固體領(lǐng)域的長期工作狀態(tài)化學和電化學。“人們通常對看到10%的改進感到滿意。因此，實際上看到了更大的改進，同樣重要的是，確定問題的根源和解決問題的方法，以及我們一直在努力解決的問題這幾十年來，是了不起的。”

參與這項工作的另一位麻省理工學院教授JamesM.LeBeau說：“這項工作很重要，因為它可以克服阻礙固體氧化物燃料電池廣泛使用的[一些]限制。此外，基本概念可以應用于許多其他材料用于能源相關(guān)領(lǐng)域的應用。”LeBeau是材料科學與工程的約翰奇普曼副教授

這項工作于8月11日在線發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》雜志上。該論文的其他作者是DMSE博士后HanGilSeo;AnnaStaerz，前DMSE博士后研究員，現(xiàn)就職于比利時大學微電子中心(IMEC)，即將加入科羅拉多礦業(yè)學院;DMSE博士后助理DennisS.Kim;DinoKlotz，DMSE訪問科學家，現(xiàn)就職于ZurichInstruments;DMSE研究生MichaelXu和ClementNicollet前DMSE博士后研究員，現(xiàn)就職于南特大學。Seo和Staerz對這項工作做出了同樣的貢獻。

他們做了什么

燃料/電解電池具有三個主要部分：由電解質(zhì)隔開的兩個電極(陰極和陽極)。在電解模式下，來自風的電力可用于產(chǎn)生可儲存的燃料，如甲烷或氫氣。另一方面，在逆向燃料電池反應中，可儲存的燃料可用于在不刮風時發(fā)電。

一個工作燃料/電解電池由許多單獨的電池組成，這些電池堆疊在一起并通過鋼金屬互連件連接，其中包括元素鉻以防止金屬氧化。但是“事實證明，在這些電池運行的高溫下，其中一些鉻會蒸發(fā)并遷移到陰極和電解質(zhì)之間的界面，從而毒化氧結(jié)合反應，”Tuller說。在某個點之后，電池的效率已經(jīng)下降到不值得再運行的點。

“因此，如果您可以通過減慢這一過程或理想地逆轉(zhuǎn)這一過程來延長燃料/電解電池的壽命，那么您可以在使其實用化方面大有幫助，”Tuller說。

該團隊表明，您可以通過控制陰極表面的酸度來做到這兩點。他們還解釋了正在發(fā)生的事情。

改變酸度

為了取得他們的成果，該團隊在燃料/電解電池陰極上涂上了氧化鋰，這是一種將表面的相對酸度從酸性變?yōu)閴A性的化合物。“在添加少量鋰后，我們能夠恢復中毒電池的初始性能，”Tuller說。當工程師添加更多鋰時，性能提升遠遠超過初始值。“我們看到關(guān)鍵的氧還原反應速率提高了三到四個數(shù)量級，并將這種變化歸因于電極表面填充了驅(qū)動氧結(jié)合反應所需的電子。”

工程師們繼續(xù)通過使用最先進的透射電子顯微鏡和電子能量損失光譜儀在納米尺度或十億分之一米處觀察材料來解釋正在發(fā)生的事情。“我們有興趣了解表面上不同化學添加劑[鉻和氧化鋰]的分布，”LeBeau說。

他們發(fā)現(xiàn)氧化鋰有效地溶解了鉻，形成一種不再降低陰極性能的玻璃狀材料。

下一步是什么?

Tuller說，燃料電池等許多技術(shù)都是基于氧化物固體快速將氧氣吸入和排出其晶體結(jié)構(gòu)的能力。麻省理工學院的工作基本上展示了如何通過改變表面酸度來恢復和加速這種能力。因此，工程師們樂觀地認為這項工作可以應用于其他技術(shù)，例如傳感器、催化劑和基于氧氣滲透的反應器。

該團隊還在探索酸度對被不同元素(如二氧化硅)毒害的系統(tǒng)的影響。

Tuller總結(jié)道：“就像科學中經(jīng)常發(fā)生的情況一樣，你偶然發(fā)現(xiàn)一些東西并注意到一個以前沒有被重視的重要趨勢。然后你進一步測試這個概念，你會發(fā)現(xiàn)它確實非常基礎(chǔ)。”

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