科大研发铁基阴极 推动质子陶瓷燃料电池性能突破

香港科技大学（科大）的研究人员设计了一种创新的铁基阴极材料，令质子陶瓷燃料电池发挥前所未有的性能。这项突破将进一步推动研发工作，令这项别具潜力的可再生能源技术走向商业化。

燃料电池利用氢气或其他燃料的化学能转换成电能，是一种高效丶清洁和环保的电力来源，也是全球为应对气候变化和能源短缺而争相研发的领域。其中，质子陶瓷燃料电池（简称PCFC）这项新技术以质子导电陶瓷电解质为基础，具有低污染物排放丶高效率的优点，而且别具灵活性，可利用氢气以外的气体作爲燃料，例如是氨丶沼气和甲烷等。PCFC通常用於分散式发电，如离网发电。

然而，要令PCFC广泛商业化，仍需解决其缺乏高性能丶低成本阴极材料的障碍。钴基钙钛矿是目前最为普遍使用的阴极材料，因为钴易於降低和提升其氧化数，氧还原反应活性极佳，是优化阴极性能的关键。然而，钴基钙钛矿的材料成本甚高，不但会在采矿期间造成污染，而且生产程序繁复，难以大量生产。另外，电动汽车常用的锂离子电池对钴基钙钛矿的需求也极爲庞大。

最理想的情况，是把钴换成反应性相若但成本较低的过渡金属。铁在元素周期表中接近钴，两者有不少类近的化学特性，但铁远较钴便宜。然而，铁基材料通常被视为较差的催化剂，性能未如理想。因此，研究人员必须针对材料成分进行微调，才能调节出性能最佳的材料。

研究团队在机械及航空航天工程学系和化学及生物工程学系Francesco Ciucci教授的领导下向这个方向深入研究。他们结合了第一原理计算丶分子轨道理论分析和各项实验，利用钡丶铁和锆等价格相宜的元素设计出可低成本和大规模制作的阴极材料，为PCFC带来刷新纪录的性能。  

研究团队以基本的物理化学原理，配合密度泛函理论设计阴极材料。他们利用超级计算机计算模拟进行优化，发现Ba_0.875Fe_0.875Zr_0.125O_3-δ（D-BFZ）为最具潜力的阴极物料。实验显示D-BFZ拥有出众的电化学活性，与氧气产生化学反应後可实现高峰值功率密度，属同类物料中表现最好之一，而且运作稳定性极佳。此外，D-BFZ可以使用简单和适合量产的合成技术进行生产，令PCFC进一步迈向商业化。

Ciucci教授表示：「PCFC有望成爲变革性技术，相信日後还有很多发展良机。我们将继续利用第一原理计算和各种实验来提高PCFC的性能。PCFC的逆向使用将对钢铁业丶制氨业和重型运输等难以减碳的行业带来巨大影响。」

团队最近已於Nature Catalysis发表研究成果，并获Nature Reviews Materials作重点报导。

这队由Ciucci教授领导的研究团队，成员均来自机械及航空航天工程学系，包括博士生王宇豪丶Matthew James Robson和Alessio Belotti；博士後研究员宋羽飞；博士毕业生王健（2018年毕业）和刘佳鹏（2020年毕业）；前博士後研究员王政及张志琦；其他协作成员分别来自南韩的蔚山科学技术院及首尔大学丶中国南京工业大学和澳洲科廷大学。

相关连结：

• EurekAlert 新闻 （2022年11月16日）: HKUST researchers design iron-based cathode to achieve record performance for protonic ceramic fuel cells （只供英文版本）