麻省理工学院研究人员开发了改善燃料电池性能的新方法

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2016年6月15日

一组研究人员麻省理工学院已经制定了一种现实且基于物理的方法，用于处理称为钙钛矿氧化物的材料表面，以使其高度耐用并优化其性能。欧洲杯足球竞彩这些材料很有可能充当能量转换小工具（例如电解器和燃料电池）中的电欧洲杯足球竞彩极。这种表面处理也是针对主要挑战之一的解决方案，它阻碍了燃料电池技术的广泛使用，在可逆地操作时，它可能是用于可再生能源存储的电池的潜在替代品。

该图描述了新的表面处理可以提高钙钛矿材料的效率和寿命，以在燃料电池电极等应用中使用。欧洲杯足球竞彩在大部分材料（左下）中显示为“孔”的氧空位分布在整个材料中，并引起强烈的化学反应性。但是从表面上讲，当将另一个元素（以红色显示）的原子添加到表面时，许多空缺被氧气填充，这大大减慢了可能降低表面并损害其性能的反应速率。（图片来源：由Felice Frankel提供）

该研究的结果已发表在《自然材料杂志》上，在麻省理工学院核科学，工程和材料科学与工程系的MIT副教授Bilge Yild欧洲杯足球竞彩iz，前MIT Postdoc Nikolai Tsvetkov，研究生学生Qiyang Lu和Lixin Sun欧洲杯线上买球，劳伦斯·伯克利国家实验室的伊桑·克鲁姆林（Ethan Crumlin）。

近年来，钙钛矿领域已成为一个活跃的研究领域，在从燃料电池电极到太阳能热化学燃料中，通过二氧化碳和水的分裂以及非挥发性记忆芯片的地区进行了有希望的应用。用于计算机。

它们是一类巨大的氧化物材料，几个团队正在测试钙钛矿组成的差异，欧洲杯足球竞彩以寻找各种用途的最可能的竞争者。但是，随着时间的流逝，材料表面的相对波动性一直是使用钙钛矿的关键局限性之一。

这些材料的表面在暴露于气体或水（例如二氧化碳欧洲杯足球竞彩或氧气）时，在高温下经常在现实世界中，“由于化学分离和相分离而遭受降解的损失，”Yildiz解释说。她说“在过去的几年中，我们以及该领域的其他人都发现，这些钙棍的表面被腹膜氧化物相关的层覆盖，并且该层正在隔离降低氧气和氧气反应，这些反应是对于燃料电池，电解器和热化学燃料产生的性能至关重要。电极表面上的该层对设备的效率和耐用性有害，从而导致表面反应减速不仅仅是一个数量级。”

在先前的作品中，Yildiz和她的团队发现了这种负面表面延展的原因。

我们发现它由表面富集的氧空位富集来控制。

氧空位是缺乏氧原子的晶格中的原子变形。

“然后解决方案是杀死其中一些氧气空位。”这个想法与传统的信念相反，即氧空位有助于钙钛矿氧化物表面上与氧分子的反应，并提高燃料电池中氧还原反应的速率。

因此，仅在钙钛矿表面添加一小部分高度氧化元件“消灭了一些氧空位，使表面更具氧化，并防止形成绝缘相，从而阻止材料表面上的氧交换反应，”Yildiz说。

同样，表面保留了钙钛矿氧化物的一流电子，催化和离子特性，并促进了快速的氧交换反应。该团队的分析表明，就浓度和组成而言，在向表面添加更多可氧化元素有积极的特征。

在这些初步实验中，他们尝试了许多不同的元素来提供保护作用。进度提高到确定的浓度，然后积累更多的表面添加剂开始使事物再次变得较低。研究人员发现，对于任何提议的材料，都应添加最佳数量。使用hafnium，新处理能够降低降解速率，并随着表面的30次氧交换反应速率增加。

耶尔迪兹说，结果是不可预测的。“没有人会打算使用Hafnium来改善这一领域的任何事情，”她说，因为该元素或其氧化物几乎没有反应性。

但是，作为钙钛矿的表面处理，它最大程度地改善了所分析的所有元素，“因为它在表面的稳定性和氧空位的可用性之间提供了良好的平衡，”她解释说。

我们认为，这项工作的价值不仅在于发现燃料电池电极耐久性的潜在改善，而且还从根本上证明了这种改进背后的机制。为此，我们的原位X射线光谱实验由高级光源启用至关重要。

表面处理程序很简单，只需要从金属氯化物溶液中沉积的添加元素的微量量。

我们放置在表面上的数量很少，因此它不会改变散装材料。

Yildiz

实际上，表面处理的总数不超过散装材料的单个原子层。

她说，在制作某些应用的钙钛矿电催化剂时，结果可能很大。“钙钛矿氧化物的批量电子和离子性能确实很好，因为它们在燃料电池中已被优化了几十年，”她解释说，但是“瓶颈现在是为了改善表面的氧还原反应动力学，”而且许多团队被阻碍了，因为材料表面的行为被证明是“不如希望的那样好。”或估计的模型。目前，研究人员指出，他们了解发生挫折的原因以及如何应对。

“观察结果可用于生产具有较低降解速率的更强大的燃料电池，目前这是固体氧化物燃料电池开发人员的主要目标，”伦敦帝国学院的能源材料教授约翰·基尔纳（John Kilner）说，他不属于这项欧洲杯足球竞彩研究。

“在许多催化材料中，稳定性和性能没有齐欧洲杯足球竞彩头并进 - 最活跃的催化剂也是最不稳定的催化剂，”斯坦福大学材料科学与工程学助理教授威廉·楚（William Chueh）说，他也与研究没有联欧洲杯足球竞彩系。欧洲杯线上买球“在这项工作中，Yildiz和同事们仅通过在表面上添加少量的掺杂剂来确定一种新的方法来实质性地提高基于钴的电催化剂的稳定性。”