质子陶瓷膜燃料电池的新突破:处理后电池的工作温度低至350℃
关于这项成果的应用前景，他说:“就改进的电化学电池而言，高性能PCEC(质子燃料电池)使我们能够将高温电解水制氢的工作温度降低到350℃..这一过程可以为“清洁和绿色氢气”的许多应用打开大门。更重要的是，这项技术与几个重要的工业过程(包括氨生产和二氧化碳减排)在相同的温度范围内运行。匹配这些温度将加速这项技术在现有行业的采用。”
就接口工程技术而言，此次报道的技术可广泛应用于固态电化学器件，如全固态锂电池。全固态锂电池是一项尖端的锂电池技术，各国都在大力发展。界面润湿是其主要瓶颈之一。酸处理技术可以有效改善全固态电池的界面润湿性，从而提高电池的性能和稳定性。
正是因为其强大的应用性，他对这项成果的商业孵化充满信心:“我们下一步的研究计划是两个方面。一种是整合现有的一系列制备技术，将电化学器件进行扩展、模块化甚至商业化。另一方面是进一步扩大和深化与其他高校和研究机构在化学品电化学合成、工业减碳等领域的合作。”
350℃下工作良好，数百小时几乎没有性能下降。
据报道，他和他的合作者已经在实验中证明，经过酸处理的电池在600℃下每单位面积产生的氢气比以前的任何电池都多150%，并且在350℃下工作良好，在数百小时内几乎没有性能退化。这种方法可以很容易地扩展和集成到大型电池和电池组的制造中。
马里兰能源创新研究所材料创新中心主任胡教授表示，他没有参与这项工作，但他的评价说:“作者报告了一种令人惊讶的、简单的、极其高效的表面处理方法，以显著改善界面，并将电池性能提高到一个‘优秀’的水平。
4月20日，相关论文发表在《自然》杂志上，题目是《酸腐蚀活化质子陶瓷细胞中的界面》。
据吴伟介绍，包括风能、太阳能和潮汐能在内的可再生能源已经为社会提供了越来越多的清洁电力。然而，这些可再生能源的一个主要特点是它们不稳定，并随天气明显波动。所以清洁电能一般先储存。
使用蓄电池储存电能的时间也非常有限，成本也很高。用这些清洁的电能生产氢气和其他有机化学品和燃料，是电能储存的另一种方式，即把电能转化为化学能。
众所周知，氢是一种绿色燃料，部分原因是当它燃烧时，产物只有水。然而，纯氢没有自然来源。我们今天使用的大部分氢气是通过蒸汽转化碳氢化合物(如天然气)获得的。该方法需要烃原料气并产生碳副产物，这使其不太适合可持续生产。
因此，开发更高效的新型电化学电池，如固体氧化物燃料电解电池，可以实现分布式发电和低碳甚至无碳排放的氢化学品。世界各地的科学家也一直在开发主要用于产生氢气的电化学电池。由这些电池产生的氢气也可以用作供热、交通工具、化学生产或其他应用的燃料。
但前提是科学家必须克服材料和制备方面的一系列挑战，包括如何让电池更高效、更稳定、制造成本更低。
说到这里，吴伟做了一个简短的科普:电化学电解电池主要有三种。
第一种在室温下工作，比如质子交换膜电池。他们的主要问题是效率低，需要铂等稀有金属。
第二种在700？c以上，如氧离子导体电池。它们电解效率高，但金属在高温下容易氧化或与其他元素反应形成腐蚀，所以设备需要严格的密封和绝缘技术。
第三种，PCEC，是一种更有潜力的电化学电池解决方案。就像充电电池利用化学原理储存电能以备后用一样，PCEC可以将多余的电能和水转化为氢气。PCEC也可以逆向运行，将氢转化为电能。这项技术使用称为钙钛矿的晶体材料，价格便宜，可以在很宽的温度范围内工作。同时，PCEC的主要工作范围在300到600之间？c、进一步降低运行和制造成本。
理论上，质子导体的电导率高，活化能低，所以PCEC的性能自然会更优越。然而，吴伟和他的合作者早就观察到他们的性能低于理论模拟的预期。自2017以来，他和他在爱达荷国家实验室的同事一直试图了解原因。
它说:“经过同样的实验设计和观察，我们发现质子(带正电荷的氢原子)在电极/电解质界面的传输才是问题所在。具体来说，电极和电解质的结合并不理想。随后，在电池制备过程中，我们增加了简单的酸处理步骤，实现电极和电解液的紧密结合，从而实现更有效的离子传输。”
在一系列详细的表征之后，发现酸处理增加了电极和电解质之间的接触面积。增加的表面积使得电极和电解质之间的结合更紧密，从而允许更有效的质子传输。此外，电池在一些极端条件下的稳定性也显著提高。
显著提高电池的性能、热力学和电化学稳定性
更详细地说，本文的核心观点是质子陶瓷膜电化学电池有望在350以下运行。虽然电解质的高质子传导率已被证实，但由于未知原因，它不能完全用于电化学全电池。在这项研究中，吴伟等人揭示了这些问题源于高温二次处理后氧电极与电解质界面接触不良。
本研究证明，简单的酸处理可以有效地修复高温二次处理后的电解质表面，从而使氧电极与电解质之间产生反应性键合，提高电化学性能和稳定性。
这种方法可以做到低至350？c具有优异的质子陶瓷膜燃料电池性能，可维持600？C点的峰值功率密度为1.6W每平方厘米，450？c是每平方厘米650毫瓦，350？c是每平方厘米300毫瓦，而在1.4V和600？稳定的电解操作和C时的电流密度大于3.9安培每平方厘米。
据报道，质子陶瓷膜燃料/电解池(PCFCs/PCECs)由于其高效率和零排放，有望在中温(300-600)应用领域实现化学能和电能的可逆转换。
它们的关键成分之一是钙钛矿结构的氧化物电解质。由于其活化能小，质子传导率高，可以实现比基于氧离子导体的固体氧化物燃料/电解池(SOFCs/soec)更低的温度运行。
然而，仍然存在一些电解质相关的挑战，限制了PCFC/PCEC的应用。第一，烧结电解质虽然表现出很高的质子电导率(例如at 500 >: 10mS cm 1)，但电化学电池中的欧姆电阻大于仅从体离子电导率估算的理论值，且具有“未知来源”。这种不一致被认为是由于氧电极和电解质之间接触不良。其次，氧电极与电解质的界面机械性能较弱，会导致脱层等形式的损耗，尤其是在高电流密度的电解槽循环下。
要知道质子陶瓷膜燃料/电解池通常是在高温T1下烧结，然后丝网印刷或涂刷在氧电极层上，再在较低温度的T2下进行第二次烧结。
但是质子陶瓷膜电解质致密化比较困难，需要高温烧结。虽然看似与整个电池在400-600°C的性能无关，但吴伟等人认为，低真实接触面积和高界面阻抗与低速率传质导致的烧结性差有着相同的根源。
事实上，T2烧结的情况更糟(约1000°C):多孔氧电极必须扩散结合到完全退火的电解质表面(以单晶衬底上的有限烧结作为极端类比)，T2也必须足够低，以避免多孔氧电极粗糙化，并允许气体传输和催化。
考虑到上述情况，团队提出了一种酸处理方法，在与氧电极结合之前，对高温退火电解质表面进行活化修复。他们证明，这种方法可以完全恢复电化学电池中的理论质子电导率，并显著提高电池的性能、热力学和电化学稳定性。
吴伟表示，该项目从立项到成果公布，离不开所有团队成员的合作和奉献。这项工作由三个组织完成，包括爱达荷国家实验室、麻省理工学院和内布拉斯加大学。团队之间每周保持视频会议沟通，遇到问题大家可以即时分享、讨论、研究对策。
和大多数科研工作一样，从提出想法到实现，都会有挑战和问题。很多时候，努力不一定有回报。“我们只能做我们所学的，做我们力所能及的，依靠集体的力量去解决科学问题，剩下的交给运气。这项工作取得了一定的成果，我们都很高兴。这次运气在我们这边。”他说。
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支持:王贝贝。
参考:
1、卞，吴，王，等。质子陶瓷电池界面的酸腐蚀活化。自然604，479–485(2022)。https://doi . org/10.1038/s 41586-022-04457-y