香港科技大学设计新型铁基正极材料

电动悟空摘录 据外媒报道，香港科技大学（HKUST）研究人员设计了一种新型的铁基正极材料，使质子陶瓷燃料电池的性能达到创纪录的水平，标志着燃料电池开发和商业化的重要一步。

(图片来源:香港科技大学)

燃料电池利用氢气或其他燃料的化学能量高效、清洁地发电。为了应对气候变化和能源短缺，世界各地都在加快这种环保能源的发展。

质子陶瓷燃料电池作为该领域的一项新技术（PCFC）以质子导电陶瓷电解质为基础，具有污染物排放低、效率高、灵活性强的优点。它不仅能很好地处理氢气，还适用于氨、沼气和甲烷等其他气体。该技术通常用于分布式发电，包括离网发电。

但由于缺乏高性能、低成本的正极材料，PCFC商业化推广进程受阻。目前，钴基钙钛矿是应用最广泛的正极材料，因为钴容易降低和提高氧化值，从而产生优越的氧还原反应活性，对正极性能具有重要意义。但这些材料成本高，采矿过程中容易造成污染，制备过程复杂，难以实现大规模生产。锂离子电池对这种材料的需求也很高。电动汽车通常使用锂离子电池。

理想情况下，钴可以用成本低但反应活性相当的过渡金属代替。在元素周期表中，铁与钴的位置非常接近，具有许多相似的化学性质，但价格要低得多。然而，铁基材料通常被认为是一种较差的催化剂，不能产生令人满意的性能。因此，必须微调材料组成，以确定性能最好的材料。

基于这一方向，机械与航空航天工程系、化学与生物工程系Francesco CIUCCI教授负责的研究团队结合第一原理模拟、分子轨道分析和实验，使用廉价元素（如钡、铁、锆）设计新的低成本陶瓷，创造记录性能PCFC。

该团队根据基本的物理化学原理和密度泛函理论设计正极材料。通过计算导向优化确定Ba0.875Fe0.875Zr0.125O3-δ（D-BFZ）是最有前途的正极材料。实验表明，D-BFZ具有优异的电化学活性，能与氧反应，达到较高的峰值功率密度，并具有良好的操作稳定性。此外，可采用适合大规模生产的简单合成技术D-BFZ，这是商业可行性的实现PCFC重要一步。

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