日前，香港科技大学(HKUST) 的研究人员设计了一种创新的铁基正极材料，以实现质子陶瓷燃料电池(PCFC)的创纪录性能，这标志着这种有前途的可再生能源技术的开发和商业化向前迈出了重要一步。研究成果发表在Nature Catalysis（自然催化）上。

论文地址：DOI: 10.1038/s41929-022-00829-9

所谓燃料电池就是将氢分子和氧分子中所含的化学能转化为电能、热能和水。基于质子传导电解质的PCFC技术是一种基于陶瓷固体电解质材料作为从阳极到阴极的质子导体的燃料电池。这些燃料电池通过从氢原子中去除一个电子，将带电的氢原子推过陶瓷膜，并在与氧的反应过程中将电子返回到陶瓷膜另一侧的氢上来发电。质子陶瓷燃料电池在阴极排放水，在阳极排放未使用的燃料、燃料反应产物和燃料杂质。陶瓷膜的常见化学成分是锆酸钡(BaZrO₃)、磷酸二氢铯(CsH₂PO₄)以及这些材料与其他陶瓷氧化物的复合固溶体。

虽然PCFC因低污染物排放和高热力学效率而备受重视，但PCFC技术实现商业化的最大障碍是缺乏高性能、低成本的正极材料。目前，钴基钙钛矿是应用最广泛的正极材料。然而，不稳定的相、与其他 PCFC 组件的热机械相容性差、高成本和不令人满意的性能限制了这些材料的可行性。

研究团队结合了第一性原理模拟、分子轨道分析和实验来设计使用钡(Ba)、铁(Fe)和锆(Zr)等廉价元素的新型廉价陶瓷，从而导致具有创纪录性能的PCFC。该团队根据基本物理化学原理和密度泛函理论设计了正极材料。通过计算引导优化，Ba_0.875Fe_0.875Zr_0.125O_3-δ(D-BFZ)被确定为最有前途的正极材料。实验表明，它具有出色的与氧气反应的电化学活性，可实现高峰值功率密度和出色的运行稳定性。此外，D-BFZ可以使用适合大规模生产的简单合成技术生产，这是实现商业上可行的PCFC的重要一步。

编译 YUXI

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