新型燃料电池，Nature Synthesis！
米测MeLab
2025-03-17
研究背景
质子陶瓷燃料电池（PCFC）是一种新型的燃料电池技术，它利用质子导电的陶瓷材料作为电解质，通过电化学反应将燃料的化学能直接转换为电能。这种技术具有高能效、低污染的特点，被认为是未来清洁能源领域的重要发展方向。PCFC的工作原理是将燃料（如氢气）和氧化剂（如氧气）分别送入电池的阳极和阴极，通过电解质进行质子交换，从而产生电流。在这个过程中，燃料在阳极发生氧化反应，产生质子和电子；质子通过电解质传导到阴极，而电子则通过外部电路移动，为外部设备提供电力。在阴极，质子与氧化剂发生还原反应，生成水，完成整个电化学反应过程。然而，在PCECs模式下，电极反应方向发生逆转，导致电极过电位极性改变，特别是在高电流密度条件下，使系统面临更极端的电化学环境，从而对材料的稳定性提出了更高要求。目前，PCFCs/PCECs的主流结构采用三明治式设计，包括多孔燃料电极支撑层、致密电解质膜及薄层多孔氧电极。其中，BaCeO₃基质子导体（如BCZYYb）因其在300–600°C下的高质子电导率和较好的PCFC稳定性而受到广泛关注。然而，该材料在PCECs条件下，尤其是高蒸汽分压环境中，表现出较差的化学稳定性，易与CO₂或H₂O发生反应，导致结构劣化。此外，Ce基材料的电化学还原稳定性较差，影响了PCECs的长期耐久性。因此，寻找兼具高质子电导率和优异化学稳定性的电解质材料成为该领域的重要挑战。 为了解决这些问题，美国爱达荷国家实验室丁冬、美国麻省理工学院李巨、美国新墨西哥州立大学罗红梅、清华大学董岩皓团队合作在“Nature Synthesis”期刊上发表了题为“Sintering protonic zirconate cells with enhanced electrolysis stability and Faradaic efficiency”的最新论文。该团队突破了BaZrO₃基质子导体的烧结瓶颈，成功制备了无Ce、无烧结助剂的BaZr₀.₈Y₀.₂O₃−δ（BZY）电解质，并将其压力无助烧结温度降低至1450°C。该方法避免了传统BZY材料因高温烧结导致的Ba挥发及NiO副反应问题，同时提升了电解质膜的致密度和质子导电性能。利用优化后的BZY材料，研究团队构建了全BZY结构的PCECs，并在高蒸汽分压条件下实现了远超文献报道的高电解性能。该研究不仅为高性能PCECs提供了可行的材料解决方案，同时强调了在极端条件下进行电化学能量转换时，材料稳定性与活性之间的平衡策略，为耐久性电化学器件的开发提供了新的思路。
研究亮点
(1) 本研究首次实现无烧结助剂的 BZY 电解质低温烧结（1,450°C），获得了高质密度的 BZY 薄膜，并应用于高蒸汽分压电解池。 (2) 研究通过优化烧结工艺，有效降低了 BZY 的烧结温度，同时避免了烧结助剂引入的质子陷阱和电阻性晶界相，提高了 BZY 电解质的质子电导率。(3) 在高蒸汽分压条件下，BZY 电解质表现出优异的化学稳定性，相比传统富 Ce 钙钛矿材料，能有效抵抗酸性环境（H₂O 和 CO₂）腐蚀，并减少燃料电极侧的还原不稳定性。(4) 组装的 BZY 全电池在高蒸汽压力电解模式下表现出优越的电化学性能，其性能远超以往文献报道的同类体系，验证了 BZY 作为高性能 PCEC 电解质的潜力。
图文解读
图4.具有超薄电解质的BZY-5全电池的电化学性能。
结论展望
本文通过重新设计 BZY 全电池的结构，作者解决了致密 BZY 膜的烧结难题，并释放了 BZY 基 PCFCs/PCECs 在高电流密度、高蒸汽分压电解条件下的优异电化学性能和稳定性。改进后的质子型锆酸盐电池在氢气及化学品制备方面表现出巨大潜力，兼具适中的热预算和严苛但高效的电化学运行条件。作者的研究强调了工艺创新（如协同烧结）在充分发挥材料本征优势、实现特定应用中的关键作用。 Tang, W., Bian, W., Ding, H. et al. Sintering protonic zirconate cells with enhanced electrolysis stability and Faradaic efficiency. Nat. Synth (2025). https://doi.org/10.1038/s44160-025-00765-z
