撰文 / 錢亞光

設計 / 琚 佳

東京科學大學（Institute of Science Tokyo）的研究人員開發(fā)出一種基于銣（Rb）的新材料，有望大幅提升燃料電池技術水平。這種新材料具有高導電性，能夠更高效地傳輸氧離子。

據(jù)東京科學大學化學系教授、該研究團隊負責人八島正知（Masatomo Yashima）介紹，這種新材料有助于使固體氧化物燃料電池（SOFC）等更清潔的能源技術更具實用性和經(jīng)濟性。

SOFC是一種將燃料的化學能直接轉化為電能的電化學設備，效率高，對環(huán)境影響低。氧化物離子導體使氧化物離子（O2?）能夠在SOFC中傳輸，可以使用多種燃料，而不僅僅是氫氣，包括天然氣、沼氣，甚至某些液態(tài)碳氫化合物。這種靈活性使其在向氫經(jīng)濟轉型期間特別有價值。

SOFC在高溫（通常為600°C-1000°C）下運行，這允許更廣泛的燃料選擇和高轉換效率。與其他類型的燃料電池相比，這項技術有幾個優(yōu)勢，例如對雜質(zhì)的敏感性低、燃料靈活性高和長期穩(wěn)定性。此外，SOFC可用于各個領域，包括固定電源、運輸和便攜式電子產(chǎn)品，在發(fā)達國家和發(fā)展中國家都有潛在的應用。

盡管從能源可持續(xù)性的角度來看，固體氧化物燃料電池具有變革性的潛力，但其廣泛應用仍受諸多因素限制，比如制造成本高昂，耐久性差，而且需要在極高的溫度下才能正常工作。SOFC的這些固有的問題，一直阻礙著其被廣泛采用。

要克服這些障礙，需要開發(fā)出更好的氧化物離子導體，世界各地的研究人員一直在嘗試具有不同化學成分的新材料。

SOFC的潛在變革者

日本東京科學大學團隊一直在尋找能讓氧離子（O2?）在燃料電池內(nèi)部快速移動的更好材料。研究人員選擇銣基材料作為理想解決方案。

由于其獨特的特性，銣被選為主要成分。首先，大原子尺寸有助于在晶體結構中產(chǎn)生許多間隙，為氧離子的移動創(chuàng)造了有利條件。銣離子（Rb+）是較大的陽離子之一（僅次于銫離子），這意味著其結構中有更多的“自由空間”，導致氧化物離子導電所需的活化能更低，也使材料的導電性更強。

其次，銣的活化能水平低，這減少了傳輸離子所需的能量量，從而提高了材料的導電性。這意味著氧離子能夠在含銣的結構內(nèi)自由移動。

基于這一想法，研究人員首先使用基于鍵價的能量計算對475種含銣的氧化物進行了計算篩選。他們發(fā)現(xiàn)，與天然存在的礦物棕櫚石相似的棕櫚石型氧化物材料，其氧化物離子遷移的能壘相對較低。

鑒于先前的研究表明，一些含鉍（Bi）的材料和含鉬（Mo）的氧化物具有較高的氧化物離子導電性，該團隊選擇了Rb5BiMo4O16作為有前景的候選材料。

為了驗證這一選擇，他們進行了一系列實驗，包括材料合成、導電率測量、化學和電穩(wěn)定性測試，以及詳細的成分和晶體結構分析。他們還進行了理論計算和從頭算分子動力學模擬，以探究所測性能背后的潛在機制。

研究結果非常令人鼓舞。正如八島所言：“令人驚訝的是，Rb5BiMo4O16在300°C時表現(xiàn)出高達0.14mS/cm的氧化物離子電導率，這是在300°C時穩(wěn)定氧化釔的氧化物離子電導率的29倍，可與具有類似四面體比例的領先氧化離子導體相媲美。”

銣燃料電池成為可能

銣有助于清潔能源技術，例如燃料電池、傳感器和催化劑。

研究團隊確定了幾個因素來解釋這種異常的氧化物離子電導率。首先，銣的大原子有助于氧化物離子導電性的低活化能。這種氧化物離子導電性還因晶體晶格中MoO?四面體的旋轉和排列而進一步增強。此外，材料中氧原子的各向異性大熱振動也對氧化物離子導電性有貢獻。最后，具有孤對電子的鉍陽離子的存在也對降低氧化物離子遷移的活化能起著重要作用。

Rb5BiMo4O16的另一個顯著特點是在各種條件下（包括二氧化碳流、濕空氣流、濕氮氣中含5%氫氣的流體）在高溫下仍具有穩(wěn)定性，其在約21°C的水中也保持穩(wěn)定。其在各種條件下的穩(wěn)定性為固體氧化物燃料電池和清潔能源技術提供了有前景的發(fā)展方向。

“發(fā)現(xiàn)具有高導電性和高穩(wěn)定性的含銣氧化物可能為氧化物離子導體的發(fā)展開辟一條新途徑，”八島評論道，“我們期望這些進展將為含銣氧化物帶來新的應用和市場，并有助于降低固體氧化物燃料電池的工作溫度和降低其成本?！?/p>

Rb5BiMo4O16化合物不僅提供了出色的性能，而且在高溫、潮濕環(huán)境和水暴露等許多極端條件下也能保持穩(wěn)定性。這開辟了這種材料在清潔能源系統(tǒng)中廣泛應用的前景。

在這一領域的進一步研究,可能會為可持續(xù)能源應用中性能更優(yōu)的氧化物離子導體鋪平道路，同時也會為諸如氧氣膜、氣體傳感器和催化劑等設備的研發(fā)提供助力，并有助于固體氧化物燃料電池在更低的溫度下運行，從而使其成本更低、更耐用，并且在各種能源應用中更易于使用，并助力向更清潔的能源過渡。

他們的研究成果于2025年2月2日在線發(fā)表在《材料化學（he journal Chemistry of Materials）》雜志上。