中温固体氧化物燃料电池研制成功 有望大幅加快商业化进程

来源:科技日报
2025-08-12 12:31 
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SOFC采用陶瓷作为电解质,运行温度高,适合固定式发电。如果将陶瓷电解质的运行温度降低,制造和维护成本也能降低。研究发现,电解质由不同原子组合并按晶格结构排列,质子需在这些原子间穿行。过去的研究尝试通过加入化学掺杂剂来提高质子传输速度。然而,这一方法虽然能增加质子数量,却常导致晶格堵塞,使质子运动变慢。新研究旨在找到既能容纳大量质子又能让其自由运动的氧化物晶体。

研究团队最终发现,将高浓度的钪掺杂到锡酸钡和钛酸钡中,可在300℃条件下实现超过0.01S/cm的质子电导率,这一数值与传统SOFC电解质在高温运行时的性能相当。

结构分析与分子动力学模拟显示,钪原子会将周围的氧原子连接成“ScO6高速通道”,使质子以极低的迁移势垒快速通过。这条通道宽阔且振动柔和,避免了高掺杂氧化物中常见的质子陷阱。晶格动力学数据还表明,锡酸钡和钛酸钡的结构比传统SOFC材料更“柔软”,可吸收更多钪,从而进一步提升质子传输性能。

这一成果解决了掺杂量与离子传输效率难以兼顾的长期难题,为开发低成本、低温SOFC提供了新路径。研究人员表示,这一原理不仅适用于燃料电池,还可推广到低温电解器、氢气泵以及将二氧化碳转化为有价值化学品的反应器等,有望为氢能普及和减碳带来更广泛影响。

【总编辑圈点】

固体氧化物燃料电池(SOFC)发电效率高,燃料适应性范围广,被视作能源领域的“潜力股”。不过,SOFC必须高温运行的特点提高了它的应用成本,也延缓了其商业化进程。此次,研究团队通过在锡酸钡和钛酸钡中掺杂高浓度钪,成功研制出能在300℃中温条件下高效运行的新型SOFC。中温运行意味着无需再使用昂贵耐高温材料,制造和维护SOFC的成本将大幅降低。该技术还可以拓展到其他领域,为绿色技术的发展和全球能源结构转型带来新动能。

【责任编辑:张瑨瑄】
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