科大研發鐵基陰極 推動質子陶瓷燃料電池性能突破

香港科技大學（科大）的研究人員設計了一種創新的鐵基陰極材料，令質子陶瓷燃料電池發揮前所未有的性能。這項突破將進一步推動研發工作，令這項別具潛力的可再生能源技術走向商業化。

燃料電池利用氫氣或其他燃料的化學能轉換成電能，是一種高效、清潔和環保的電力來源，也是全球為應對氣候變化和能源短缺而爭相研發的領域。其中，質子陶瓷燃料電池（簡稱PCFC）這項新技術以質子導電陶瓷電解質為基礎，具有低污染物排放、高效率的優點，而且別具靈活性，可利用氫氣以外的氣體作爲燃料，例如是氨、沼氣和甲烷等。PCFC通常用於分散式發電，如離網發電。

然而，要令PCFC廣泛商業化，仍需解決其缺乏高性能、低成本陰極材料的障礙。鈷基鈣鈦礦是目前最為普遍使用的陰極材料，因為鈷易於降低和提升其氧化數，氧還原反應活性極佳，是優化陰極性能的關鍵。然而，鈷基鈣鈦礦的材料成本甚高，不但會在採礦期間造成污染，而且生產程序繁複，難以大量生產。另外，電動汽車常用的鋰離子電池對鈷基鈣鈦礦的需求也極爲龐大。

最理想的情況，是把鈷換成反應性相若但成本較低的過渡金屬。鐵在元素週期表中接近鈷，兩者有不少類近的化學特性，但鐵遠較鈷便宜。然而，鐵基材料通常被視為較差的催化劑，性能未如理想。因此，研究人員必須針對材料成分進行微調，才能調節出性能最佳的材料。

研究團隊在機械及航空航天工程學系和化學及生物工程學系Francesco Ciucci教授的領導下向這個方向深入研究。他們結合了第一原理計算、分子軌道理論分析和各項實驗，利用鋇、鐵和鋯等價格相宜的元素設計出可低成本和大規模製作的陰極材料，為PCFC帶來刷新紀錄的性能。  

研究團隊以基本的物理化學原理，配合密度泛函理論設計陰極材料。他們利用超級計算機計算模擬進行優化，發現Ba_0.875Fe_0.875Zr_0.125O_3-δ（D-BFZ）為最具潛力的陰極物料。實驗顯示D-BFZ擁有出眾的電化學活性，與氧氣產生化學反應後可實現高峰值功率密度，屬同類物料中表現最好之一，而且運作穩定性極佳。此外，D-BFZ可以使用簡單和適合量產的合成技術進行生產，令PCFC進一步邁向商業化。

Ciucci教授表示：「PCFC有望成爲變革性技術，相信日後還有很多發展良機。我們將繼續利用第一原理計算和各種實驗來提高PCFC的性能。PCFC的逆向使用將對鋼鐵業、製氨業和重型運輸等難以減碳的行業帶來巨大影響。」

團隊最近已於Nature Catalysis發表研究成果，並獲Nature Reviews Materials作重點報導。

這隊由Ciucci教授領導的研究團隊，成員均來自機械及航空航天工程學系，包括博士生王宇豪、Matthew James Robson和Alessio Belotti；博士後研究員宋羽飛；博士畢業生王健（2018年畢業）和劉佳鵬（2020年畢業）；前博士後研究員王政及張志琦；其他協作成員分別來自南韓的蔚山科學技術院及首爾大學、中國南京工業大學和澳洲科廷大學。

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• EurekAlert 新聞 （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）