改善燃料电池电极寿命及性能的方法问世啦

材料牛注：麻省理工学院的研究者们研发了一种可行的基于物理的处理钙钛矿型复合氧化物材料表面的方式，从而使得这种材料更加耐用，性能也得到改善。

麻省理工学院的研究者们研发了一种可行的基于物理的处理钙钛矿型复合氧化物材料表面的方式，从而使得这种材料更加耐用，性能也得到改善。这些材料是如燃料电池和电解器等能量转换设备中电极的很有前景的候选者。这种表面处理可以解决阻碍燃料电池技术广泛发展的主要挑战之一，当可逆操作时，其为可再生能源储存提供了一种不错的替代物。

新发现将于今天见刊于Nature Materials杂志，这篇文章由麻省理工学院原子能科学工程和材料科学工程学院副教授Bilge Yildiz、前任麻省理工学院博士后Nikolai Tsvetkov、研究生Qiyang Lu和Lixin Sun以及劳伦斯伯克利国家试验室的Ethan Crumlin共同完成。

钙钛矿型矿物近几年成为了一个研究的热门，从燃料电池电极到计算机永存性记忆芯片，再到通过水和二氧化碳分解的太阳能热化学燃料生产，其在这些领域有着潜在的应用。它们是氧化物材料中的一大类，许多研究团队探索着钙钛矿组成的多样性以寻找不同用途中最有前景的候选者。但是该材料表面的相对不稳定性已经成为其使用的最大限制之一。

Yildiz解释道，当暴露于温度升高的水或氧气、二氧化碳之类的气体中时，这些材料的表面会由于化学偏析和相分离而降解。她还说道，“同该领域其他研究者一样，我们发现了在过去几年里，这些钙钛矿型矿物的表面上有一层氧化锶覆盖，这个覆盖层阻隔了氧还原和氧析出，是燃料电池、电解器和热化学燃料生产的关键。这个电极表面的覆盖层对设备的效率和稳定性是不利的，造成表面反应减慢多于一个数量级。”

在早期的工作中，Yildiz和她的团队发现了这些不利的表面锶分离背后的原因。她说道，“我们发现这是由表面氧空穴的富集控制的。氧空穴是晶格中的原子缺陷，即氧原子的缺失。然后解决方式是去除一些氧空穴。”这种想法与传统理解氧空穴与氧分子在钙钛矿氧化物表面反应和改善燃料电池中氧还原反应的速率相反。

因此，Yildiz认为仅仅在钙钛矿表面添加小部分可氧化元素消除了一些氧空穴，使得表面更易氧化，并阻止了该材料表面氧交换反应隔离相的形成。就这样，该表面保持了钙钛矿氧化物固有的优良电子的、离子的和催化性能，并且保证了快速的氧交换反应。

该团队的分析表明就组成和浓度而言，在表面增加可氧化元素有一个平衡点。在这些最初的试验中，他们尝试不同的元素来提供保护作用。这种改善提高到了一定的浓度后，再添加更多的表面添加剂会起到相反的作用。所以对于任何材料来说，他们发现都有一个最适宜的添加量。使用铪元素，新的处理方式表明能够降低降解速率，表面氧交换反应速率提高三十倍。

Yildiz认为该结果确实是出乎意料的，她还说道，“没有人曾试图在该领域使用铪来改善什么，”因为这种元素或它的氧化物自身几乎并未表现出反应活性。但是作为钙钛矿型矿物的一种表面处理方式，在所有测试的元素中它有着很大的改善。她接着解释道，“这是因为它能提供在表面稳定性和氧空穴可获得性之间的一种平衡。”

重要的是，Yildiz补充道，“我们相信这项工作的价值不仅仅是发现了燃料电池电极耐久性的一个潜在改进，也在于从根本上提供了这项改进背后的机制。因此，我们对于使用高等的光源的原位X射线光谱实验很严谨。”

这个表面处理的过程很简便，仅仅需要微量的从金属氯化物溶液中沉积出来的添加元素。Yildiz说道，“我们添加到表面的是很小的量，所以并不会改变主体材料的性能。”事实上，表面处理的量并未超过一个原子层。

这些发现对于钙钛矿氧化物电催化剂在应用方面意义重大，包括固体氧化物燃料电池。她解释道，“钙钛矿氧化物大部分电子和离子的性能非常好，它们在燃料电池方面的应用已经优化了几十年。但是目前的瓶颈是改善表面氧还原反应动力学，而且由于该材料表面的性能并未像预期的那样好，使得许多团队在研究过程中受阻。”目前研究者们表明他们明白了问题发生的原因，并知道了如何处理。

John Kilner，伦敦帝国理工学院能源材料系的一名教授，并未参与这项研究工作，说道，“这些观察可用于在较低的降解速率下产生更耐用的燃料电池，这也成为固体氧化物燃料电池研发者眼中一个重要的目标。”

斯坦福大学材料科学与工程学院的副教授William Chueh，也与该项研究也没有联系，说道，“在大多数催化材料中，稳定性和材料本身优良的性能往往不可兼得——最活跃的催化剂也是最不稳定的。在这项工作中，Yildiz和其合作者发现了一种大幅改善钴基电催化剂的稳定性的新方法，仅仅在表面添加少量的掺杂物。”

Chueh补充道，“这项工作最有前景的应用是大幅改善固体氧化物燃料电池的稳定性。这是控制成本、限制这项技术广泛应用的关键问题。这项工作无论是在基本见解还是技术启示上，都是极好的。”

原文参考地址：Researchers find a way to extend life and improve performance of fuel cell electrodes

感谢材料人编辑部王宇提供素材