香港科技大学开发新型铁基正极材料以实现质子陶瓷燃料电池的创纪录性能

据国外媒体报道，香港科技大学的研究人员设计了一种新型铁基阴极材料，使质子陶瓷燃料电池的性能达到创纪录水平，标志着燃料电池的研发和商业化向前迈出了重要一步。

燃料电池利用氢或其他燃料的化学能高效、清洁地发电。为了应对气候变化和能源短缺，世界各地都在加紧开发这种环保能源。

质子陶瓷燃料电池作为该领域的一项新技术，以质子导电陶瓷电解质为基础，具有污染物排放低、效率高的优点。同时具有灵活性，不仅能很好地处理氢气，也适用于氨气、沼气、甲烷等其他气体。该技术通常用于分布式发电，包括离网发电。

然而，由于缺乏高性能和低成本的阴极材料，PCFC的商业化受到阻碍。目前应用最广泛的正极材料是钴基钙钛矿，因为钴很容易还原和提高其氧化值，从而产生优越的氧还原活性，对正极的性能具有重要意义。但这些材料价格昂贵，开采过程中容易造成污染，制备程序复杂，难以实现规模化生产。在锂离子电池中，对这种材料的需求也非常高。锂离子电池通常用于电动汽车。

理想情况下，可以使用低成本但反应性相当的过渡金属来代替钴。在元素周期表中，铁和钴的位置很近，有许多相似的化学性质，但它们的价格要低得多。然而，铁基材料通常被认为是不良催化剂，不能产生令人满意的性能。因此，需要对材料成分进行微调，以确定性能最佳的材料。

基于这一方向，该大学机械与航天工程系和化学与生物工程系的Francesco CIUCCI教授领导的研究团队，结合第一性原理模拟、分子轨道分析和实验，用廉价元素设计了一种新的低成本陶瓷，从而创造了性能创纪录的PCFC。

该团队根据基本的物理和化学原理以及密度泛函理论设计了阴极材料。通过面向计算的优化，确定Ba0.875Fe0.875Zr0.125O3-δ是最有前途的正极材料。实验表明，D-BFZ具有优异的电化学活性，能与氧气反应，达到较高的峰值功率密度，并具有良好的操作稳定性。此外，D-BFZ可以通过适合大规模生产的简单合成技术来生产，这是实现商业上可行的PCFC的重要步骤。

丘奇教授说:“PCFC技术将发挥变革性的作用，它非常有希望得到进一步发展。研究人员将继续通过第一性原理计算和实验来提高PCFC的性能。如果能可逆利用，PCFC将对钢铁冶金、合成氨生产、重型运输等难以脱碳的行业产生巨大影响。”