維也納技術大學的科學家們正在研究可用於降低固體氧化物燃料電池工作溫度的新材料。為此，他們採用了一種創新方法。
固體氧化物燃料電池由三個重要部分組成：陽極、陰極和電解質。當氧氣被納入陰極時，氧氣再通過電解質被輸送到陽極，在那裡氧氣與氫氣反應成水。燃料電池能夠將這一過程中釋放的能量轉化為電能。由於這個原因，燃料電池越來越多地被用於固定的能源供應和汽車工業。
為了將固體氧化物燃料電池的工作溫度從目前的800℃降低到450℃至600℃，維也納技術大學的科學家們正在研究適合在這種較低溫度下作為陰極的替代材料。Markus Kubicek和他的團隊最近在《材料化學A期刊》上發表了他們的材料分析結果。
降低的操作溫度
自20世紀80年代以來，固體氧化物燃料電池的研究得到蓬勃發展。現在，研究人員正試圖開發新的燃料電池，以提供長期的高穩定性和更便宜的製造成本。要做到這一點，有必要將操作溫度降低到大約450℃至600℃。 對於固體氧化物燃料電池在較低溫度下的操作，特別是陰極相當緩慢的氧氣交換代表了一個瓶頸。因此，世界各地的研究人員正在尋找方法，開發新的電極材料，即使在較低的溫度下也能充分快速地加入氧氣。
氧氣交換途徑
該校“Technical Electrochemistry” 研究部門的科學家們多年來一直在研究所謂的混合導電材料（MIECs）。這類材料的氧化物特別適合用於燃料電池陰極，因為它們可以在較高溫度下同時傳導氧離子和電子。這主要是通過缺陷來實現的，即故意引入材料中的理想晶格的最小偏差。
“這些材料內部最重要的缺陷是氧空位、電子和空穴。為了能夠有針對性地優化這些材料，更好地了解這些缺陷對氧結合反應的作用是非常重要的， ”。FWF 項目“氧化物原位表徵”項目負責人Markus Kubicek解釋道。研究人員現在已經成功地做到了這一點。
全球獨一無二的測量技術
為了測量氧結合反應的動力學，研究人員使用了”原位PLD”測量技術，這在全世界是獨一無二的。電極材料在真空室中用激光沉積，並在沉積后直接應用阻抗光譜法進行測量。“由於即使是最小的雜質也會對測量結果產生很大的影響，我們需要一種測量方法，使我們能夠檢查原始電極表面。我們在這裡第一次成功地做到了這一點，”固態離子學研究小組的Christoph Riedl解釋說。他補充說：“只有通過我們在這裡開發的原位方法，我們才能將理論模擬和實際測量結果完美結合起來。”
不同的材料，相同的氧氣途徑
研究人員用他們的測量方法研究了五種有前景的材料表面的氧氣交換反應。Matthäus Siebenhofer說：“我們測量的一個亮點是，我們第一次能夠觀察到，在非常不同的材料上，氧交換反應似乎遵循相同的機制。這裡的一個決定性因素是表面有無氧空位。”
固體離子學工作組組長Jürgen Fleig總結道：“在這項研究中，我們能夠結合過去幾年的各種研究成果和實驗發展，從而更好地描述和理解固體氧化物燃料電池領域中最重要的反應。”