固體氧化物燃料電池是替代傳統(tǒng)發(fā)電廠的一種最佳選擇，它使用的電化學(xué)方法，比現(xiàn)有的基于燃燒的發(fā)電機發(fā)電效率更高。但燃料電池的降解速度往往太快，成本的增加與帶來的效率提升成正比關(guān)系。

日前，美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的工程師們對燃料電池的化學(xué)反應(yīng)取得了新的突破。

“燃料電池是一項具有潛在的顛覆性能力的技術(shù)。”威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校材料科學(xué)與工程學(xué)教授、該研究負責(zé)人戴恩·摩根表示，“退化問題一直是阻止其進入消費者市場的一個主要障礙。”他和他的合作者最近在《NatureCommunications》雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

“高溫”是燃料電池退化的一個原因，因為這些設(shè)備必須在極高的溫度下工作——產(chǎn)生電能的化學(xué)反應(yīng)需在大于1500華氏度才能發(fā)生。燃料電池是將氧氣與外部燃料源結(jié)合，這與火災(zāi)中發(fā)生的熱和光的轉(zhuǎn)化過程類似。然而，燃料電池是在沒有燃燒的情況下完成這些化學(xué)反應(yīng)。這就是為什么燃料電池可以比燃燒能量產(chǎn)生效率更高的原因。

然而，燃料電池的工作原理與電池有幾分相似，同樣由兩個電極組成，兩電極之間由一種運輸離子的電解質(zhì)材料隔開。其中一個電極將空氣中的氧氣分解成單個的原子，然后這些可以運輸?shù)脑优c燃料結(jié)合。重要的是，氧氣的分解釋放了電子，這些電子可以作為電流通過電路為家庭或設(shè)備提供電能。這種氧分解反應(yīng)發(fā)生在一個叫做正極的部件上。

但氧氣化學(xué)穩(wěn)定性強，不容易被分解，因此，在低溫條件下，用相容的材料高效地驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)的挑戰(zhàn)性是一直存在的，部分原因是研究人員并不真正了解發(fā)生在正極上的原子尺度上的化學(xué)反應(yīng)細節(jié)。

為了使氧進入正極，氣體分子必須分裂成兩個原子。然后每個原子必須與一個叫做空位的結(jié)構(gòu)相遇，這是材料表面允許氧氣進入的一個小的分子間隙。理解這個過程是困難的，因為它發(fā)生在正極的頂層原子層，其化學(xué)性質(zhì)可能與材料的主體大不相同。

“測量這兩層的化學(xué)組成和空位是非常具有挑戰(zhàn)性的。”摩根說，這就是他和同事們轉(zhuǎn)向計算機模擬的原因。作為分子模型方面的領(lǐng)先專家，他們將密度泛函理論和動力學(xué)模型結(jié)合起來，從原子水平深入了解發(fā)生在正極頂部兩層的反應(yīng)。

研究小組斷定，在被研究的材料中，分裂并不是限制速度的步驟。他們意識到，氧原子在表面找到并進入空位的過程是限制燃料電池效率的關(guān)鍵。因此，具有更多空位的材料可能會使燃料電池的效率大大提高。

研究人員專注于一種特殊的材料，即用于許多普通燃料電池陰極的模型化合物，稱為鈷酸鑭鍶。他們計劃不久將分析范圍擴大到其他材料。

該發(fā)現(xiàn)的影響可能不僅局限于燃料電池。與環(huán)境交換氧氣的材料包括許多應(yīng)用，例如，水的分解、二氧化碳的減少、氣體的分離及被稱為憶阻器的電子元件等。