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创新的更薄电解质可改善固体氧化物燃料电池的功能

在这个后工业化时代,电力已成为我们社会的骨干力量。但是,由于化石燃料的有限可用性和有害性质,使用化石燃料发电不是最佳选择。在过去的二十年中,为开发可再生能源的技术做出了巨大的努力。在这种背景下,固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种可以产生电能的清洁,高效的替代品而兴起。但是,SOFC的主要缺点是操作温度高,限制了它们的广泛使用。

先前的各种研究都试图通过使用萤石型氧化物(如CeO2 -δ)提高高温下的电导率来克服这一缺点。通常,这些萤石氧化物可以多孔形式获得,据信它们的导电机理取决于水分子的表面吸附,这是原子或分子粘附于表面的过程。

东京科学大学的一组科学家,由Tohru Higuchi博士领导,使这项研究向前迈进了一步。在发表于《纳米尺度研究快报》上的新研究中,研究人员探索了“掺杂”的作用,这是添加杂质以改变其电导率的过程,对这些氧化物是SOFC的非常好的候选物。研究人员用一种称为Sa(Sm)的金属“掺杂”了氧化物。然后,他们将这种掺杂氧化物的薄膜沉积在氧化铝(Al 2 O 3)沿已知的特定方向增强导电性。Higuchi博士认为这是一个优势,他说:“在考虑实际设备时,薄膜形式比多孔或纳米晶体形式更合适。”

然后,研究小组对新型薄膜的晶体质量和电子结构进行了表征。他们还比较了这种新型薄膜和工业上常用的厚陶瓷氧化物之间的电导率差异。他们的发现表明,与薄膜样品相比,陶瓷样品表现出差的结晶度和质子传导性。

而且,由于萤石型氧化物中的“质子传导”,薄膜的“电阻率”(或电流流动阻力)会随着湿度的增加而降低,正如格罗特斯斯机制所解释的那样。水分子由两个氧原子和一个氢原子组成。水分子之间具有键,称为“氢键”。Grotthuss机制(或“跳转”机制)使水分子分裂成增加电导率的离子,因此它们从一个氢键移动到另一个氢键。发现该新型膜在低于100℃的低温区域显示表面质子传导。

这种新颖的薄膜在室温下具有高导电性,因此肯定会在未来有多种应用。就SOFC而言,Higuchi博士总结说:“我们对电解质膜的研究提出了一些重大发现,可以帮助降低SOFC的工作温度,并且可能是在SOFC中使用萤石型氧化物制造更实用设备的替代系统,并且开拓未来的核能和火力发电新途径。”

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