麻省理工學院的研究人員發(fā)現(xiàn)，改變系統(tǒng)的pH值可以解決一個困擾了行業(yè)幾十年的問題。

　　在這個可能革新一系列技術的研究中，包括了燃料電池，這是儲存太陽能和風能的關鍵，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備的壽命：改變系統(tǒng)的pH值。

　　由固體金屬氧化物材料制成的燃料電池和電解電池引起人們的興趣有幾個原因。例如，在電解模式下，它們可以非常高效地將可再生電力轉(zhuǎn)化為氫或甲烷等可儲存的燃料，在燃料電池模式下，當沒有陽光或不刮風時，這些燃料可以用來發(fā)電。

　　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。金屬原子會從用來建造燃料/電解電池組的連接處滲出，慢慢地毒害設備。

　　麻省理工學院材料科學與工程系(DMSE)的R.P. Simmons陶瓷與電子材料教授Harry L.Tuller說：

　　“我們已經(jīng)能夠證明的是，我們不僅可以逆轉(zhuǎn)這種退化，而且可以通過控制空氣電極界面的酸度，將性能提高到初始值以上。"

　　這項研究最初由美國能源部(DOE)通過化石能源和碳管理辦公室(FECM)國家能源技術實驗室資助，將有助于能源部實現(xiàn)其在2035年至2050年顯著降低固體氧化物燃料電池(SOFC)降解率的目標。

　　FECM氫與碳管理部門的代理主任Robert Schrecengost說：

　　“延長固體氧化物燃料電池的壽命有助于實現(xiàn)未來清潔能源所需的低成本、高效率制氫和發(fā)電。"

　　“能源部對這些技術的成熟和最終商業(yè)化的進步表示贊賞，這樣我們就可以為美國人民提供清潔可靠的能源。"

　　“我的整個職業(yè)生涯都在研究這個領域，到目前為止，我所看到的大多是漸進式的改進，"Tuller說，他最近因其在固態(tài)化學和電化學方面的長期工作而被授予2022年材料研究協(xié)會院士。

　　“人們通常對看到百分之幾十的改進感到滿意。而我們實際上看到了更大幅度的改進，同樣重要的是，找出問題的根源和解決問題的方法，針對這些我們幾十年來一直在努力解決的問題，這是了不起的。"

　　麻省理工學院材料科學與工程系John Chipman副教授James M. LeBeau也參與了這項研究，他說：

　　“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，這一基本概念還可以應用于能源相關領域的許多其他材料。"

　　8月11日發(fā)表在《能源&環(huán)境科學（Energy & Environmental Science）》上的一篇報道詳細描述了這項工作。

改變酸度

　　燃料/電解電池有三個主要部分：兩個電極(陰極和陽極)被電解液隔開。在電解模式下，來自風能的電力可以用來產(chǎn)生甲烷或氫氣等可儲存燃料。

　　另一方面，在反向燃料電池反應中，可儲存的燃料可以在不刮風的時候用來發(fā)電。

　　一個工作中的燃料/電解電池是由許多堆疊在一起的獨立電池單元組成的，這些電池由包括鉻元素在內(nèi)的鋼金屬連接件連接起來，以防止金屬氧化。

　　但是“事實證明，當這些電池運行的高溫下，一些鉻會蒸發(fā)并遷移到陰極和電解質(zhì)之間的界面上，從而破壞氧氣摻入反應，"Tuller說。在某一點之后，電池的效率就會下降到不值得再工作的程度。

　　“所以，如果你能通過減慢這個過程來延長燃料/電解電池的壽命，或者在理想情況下逆轉(zhuǎn)這個過程，你就能讓它變得實用，"Tuller說。

　　研究小組表明，通過控制陰極表面的酸度，這兩種結果都可以實現(xiàn)。他們還解釋了正在發(fā)生的事情。

　　為了實現(xiàn)這一結果，研究小組在燃料/電解電池陰極上涂上了鋰氧化物，這種化合物可以將表面的相對酸性改變?yōu)閴A性。

　　“在加入少量鋰后，我們能夠恢復中毒單元的初始性能，"Tuller說。當工程師添加更多的鋰時，性能的改善遠遠超過了初始值。

　　“我們發(fā)現(xiàn)，關鍵的氧氣還原反應速率提高了3到4個數(shù)量級，這是因為電極表面填充了驅(qū)動氧氣摻入反應所需的電子。"

　　工程師們在MIT.nano使用先進的透射電子顯微鏡和電子能量損失光譜學在納米尺度(即十億分之一米)上觀察材料來解釋正在發(fā)生的事情。

　　“我們對了解不同化學添加劑(鉻和氧化鋰)在表面的分布很感興趣，"LeBeau說。

　　他們發(fā)現(xiàn)，鋰氧化物能有效地溶解鉻，形成一種玻璃材料，不再起到降低陰極性能的作用。

傳感器、催化劑等的應用

　　Tuller說，許多技術，比如燃料電池，都是基于氧化物固體快速吸入氧氣和排出晶體結構的能力。麻省理工學院的研究基本上展示了如何通過改變表面酸度來恢復并加速這種能力。因此，工程師們樂觀地認為，這項工作可以應用于其他技術，包括傳感器、催化劑和氧滲透反應器。

　　該團隊還在探索酸度對不同元素(如二氧化硅)中毒系統(tǒng)的影響。

　　Tuller總結道：“就像在科學中經(jīng)常發(fā)生的情況一樣，你偶然發(fā)現(xiàn)了一些東西，并注意到一個以前沒有意識到的重要趨勢。然后你進一步測試這個概念，你會發(fā)現(xiàn)它確實非常

文章來源：全球氫能網(wǎng)

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