在全球能源低碳轉(zhuǎn)型背景下，氫能被公認(rèn)為最具潛力的清潔能源，高效低成本制氫成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)核心。其中，固體氧化物電解水制氫技術(shù)（SOEC）作為綠氫經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵，卻因氧電極在高溫高濕下易性能衰減、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂等制約產(chǎn)業(yè)化。近日，南京工業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合蘇州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在固體氧化物電解水制氫關(guān)鍵材料領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，首次從調(diào)控氧離子傳輸通道“分布質(zhì)量”的全新角度出發(fā)，成功研發(fā)出兼具高效能與長(zhǎng)壽命的新型氧電極材料。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·通訊》。
“傳統(tǒng)提升電極性能的思路，主要集中于增加氧離子傳輸通道的‘?dāng)?shù)量’或拓寬其‘寬度’，我們?cè)诙嗄暄芯糠e累上，首次將視角聚焦于通道的‘分布質(zhì)量’上�！眻F(tuán)隊(duì)成員、南京工業(yè)大學(xué)教授周嵬打了個(gè)比方，“可以把氧離子在材料里移動(dòng)，想象成人在大樓里走路。以前的做法，就是多造房間、把門(mén)開(kāi)大，讓人好走。但如果房間分布亂七八糟，有的地方擠一堆，有的地方全是墻，人照樣走不通、繞遠(yuǎn)路，整體速度反而上不去�！�
為此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用“局部高熵化”策略，在鋇鈷基鈣鈦礦材料中，同時(shí)摻入鋯、鈦、鋅等六種微量金屬元素，形成了一種復(fù)雜的“復(fù)合氧化物配方”�！斑@不僅增加了可供氧離子傳輸?shù)幕钚晕稽c(diǎn)數(shù)量，更使得這些位點(diǎn)在材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了高度均勻、彌散的分布，從而構(gòu)建起一個(gè)暢通高效的離子傳輸網(wǎng)絡(luò)。”論文第一作者王瀟宇解釋道。
均勻分布的傳輸網(wǎng)絡(luò)，帶來(lái)了性能的飛躍。實(shí)驗(yàn)證明，這種新型氧電極材料，不僅顯著降低了氧離子擴(kuò)散的阻力，還極大地增強(qiáng)了材料的熱機(jī)械穩(wěn)定性和對(duì)質(zhì)子的吸收能力�；诖瞬牧辖M裝的電解池，在相對(duì)較低的600℃工作溫度下，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的性能：電解電流密度高達(dá)2.0Acm^-2，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料。在近800小時(shí)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試和40次嚴(yán)酷的“冷熱沖擊”循環(huán)測(cè)試中，性能衰減率極低，展現(xiàn)了卓越的耐用性。
目前，該技術(shù)的工程化放大已在蘇州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室加快推進(jìn)，團(tuán)隊(duì)成功搭建了國(guó)內(nèi)首條兆瓦級(jí)中試產(chǎn)線，開(kāi)發(fā)的百千瓦制氫系統(tǒng)在能效等關(guān)鍵指標(biāo)上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，有望為化工、鋼鐵等高耗能行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
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