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南京高校熱縮冷脹新研成果引世界關注

2021-03-18 07:26:40|圖文來源:南京日報

掃除燃料電池“攔路虎”,被《自然》期刊選中刊登

我市高校熱縮冷脹新研成果引世界關注

南報網訊(通訊員  周偉  融媒體記者  談潔)  固體氧化物燃料電池具有很多優勢,但其商業開發面臨一大“攔路虎”:熱機械不穩定性——電池在熱循環中容易開裂、分層、破損。昨天,記者從南京工業大學獲悉,該校固態離子與新能源技術團隊創新地提出了一種熱膨脹補償的策略,解決了這一技術難題,該突破性成果近日刊登於頂級期刊《自然》上。 固體氧化物燃料電池將煤、石油、天然氣以及其他碳氫化合物等化石燃料中的化學能直接轉換為電能。與傳統的火力發電系統相比,燃料電池具有高轉換效率、低排放、零噪音的優勢,但其熱機械不穩定性。 

“所謂熱機械不穩定性,是指由於固體氧化物燃料電池需要在高温下運行,而燃料電池不同組件之間的熱膨脹行為不匹配,會引起較大的內部應變梯度——在不同的位置應力不一樣,導致電池退化、分層或破裂。”研究團隊周嵬教授介紹,由於具有出色的氧化還原催化活性和高電導率,燃料電池最受歡迎的陰極材料是含鈷的鈣鈦礦氧化物,然而鈷基鈣鈦礦陰極的問題在於,它們的熱膨脹係數非常高,遠遠大於常用的電解質,導致熱機械不兼容。

鑑於此,為了大幅度降低鈷基電極的熱膨脹係數而不對氧還原反應施加負面影響甚至帶來正面作用,邵宗平和周嵬教授團隊設計了熱膨脹補償策略來克服上述技術瓶頸:通過固相燒結將具有高電化學活性和熱膨脹係數的鈷基鈣鈦礦與負熱膨脹材料(Y2W3O12氧化物)結合在一起,在兩者之間引發了有益的界面反應,從而形成具有與電解質良好匹配的熱膨脹性能的複合電極。 

“熱膨脹補償策略是指用負的熱膨脹去抵消正的熱膨脹。我們日常生活中所見的物體一般都是熱脹冷縮的,而所謂負熱膨脹材料卻正好相反,它是‘熱縮冷脹’的。”論文第一作者,周嵬教授的第一屆博士章遠解釋。這一想法在周嵬教授2015年回國工作不久後就開始醖釀,並於2017年申請了國家自然科學基金,團隊成員在邵宗平、周嵬教授帶領下,經過近6年的反覆實驗摸索、接近1年時間的論文修改才取得。

研究結果顯示,在600℃下,複合電極具有良好的催化活性,單位面積電阻值明顯降低(電阻值越低則催化活性越好);在經歷40次熱循環後,性能僅下降了8%。 

優化的鈣鈦礦化學組成和良好的熱機械穩定性,這些優點共同促進了這種複合陰極的出色電化學性能,併為未來的固體氧化物燃料電池的電極設計開闢了一條嶄新路徑。 

作者:談潔 責任編輯:劉陽