在可以启动包括燃料电池在内的一系列技术的研究中，这是储存太阳能和风能的关键，麻省理工学院的研究人员发现了一种相对简单的方法来延长这些设备的使用寿命：改变系统的pH值。
由称为固体金属氧化物的材料制成的燃料和电解槽出于多种原因而备受关注。例如，在电解模式下，它们非常有效地将来自可再生能源的电力转换为可储存的燃料，如氢气或甲烷，可以在燃料电池模式下使用，以便在太阳不发光或风不吹时发电。它们也可以在不使用昂贵的金属(如铂)的情况下制造。然而，它们的商业可行性受到阻碍，部分原因是它们随着时间的推移而退化。从用于构建燃料/电解池组的互连中渗出的金属原子会慢慢毒害设备。
“我们能够证明的是，我们不仅可以逆转这种退化，而且可以通过控制空气电极界面的酸度来实际提高高于初始值的性能，”麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)的R.P.西蒙斯陶瓷和电子材料教授Harry L. Tuller说。
该研究最初由能源部通过化石能源和碳管理办公室(FECM)国家能源技术实验室资助，应该有助于该部门实现到2035年至2050年显着降低固体氧化物燃料电池降解速度的目标。
“延长固体氧化物燃料电池的使用寿命有助于提供清洁能源未来所需的低成本，高效率的氢气生产和发电，”FECM氢与碳管理部门代理主任Robert Schrecengost说。“该部门赞扬这些进步，使这些技术成熟并最终商业化，以便我们能够为人民提供清洁可靠的能源。
“我的整个职业生涯都在这一领域工作，到目前为止，我看到的大多是渐进式的改进，”Tuller说，他最近被任命为2022年材料研究学会会员，因为他在固态化学和电化学方面的长期工作。“人们通常对看到数十%的改善感到满意。因此，实际上看到了更大的改进，同样重要的是，确定了问题的根源以及解决它的方法，这是我们几十年来一直在努力解决的问题，这是非常了不起的。
麻省理工学院约翰·奇普曼材料科学与工程副教授James M. LeBeau说：“这项工作很重要，因为它可以克服[一些]阻碍固体氧化物燃料电池广泛使用的限制。此外，基本概念可以应用于能源相关领域应用的许多其他材料。
8月11日，在《能源与环境科学》上报道了一份描述这项工作的报告。该论文的其他作者是DMSE博士后韩吉尔·徐;安娜·斯塔尔兹，前DMSE博士后，现在在比利时大学间微电子中心(IMEC)工作，不久将加入科罗拉多矿业学院;丹尼斯·金，DMSE博士后;迪诺·克洛茨，DMSE访问科学家，现就职于苏黎世仪器公司;徐先生，DMSE研究生;和克莱门特·尼科莱特，以前是DMSE博士后，现在是南特大学。徐和斯塔尔兹对这项工作的贡献是一样的。
改变酸度
燃料/电解池有三个主要部分：两个电极(阴极和阳极)，由电解质隔开。在电解模式下，来自风的电力可用于产生甲烷或氢气等可储存的燃料。另一方面，在反向燃料电池反应中，当风不吹时，这种可储存的燃料可以用来发电。
工作燃料/电解池由许多单独的电池组成，这些电池堆叠在一起，并通过钢金属互连连接，其中包括铬元素以防止金属氧化。但“事实证明，在这些电池运行的高温下，一些铬蒸发并迁移到阴极和电解质之间的界面，毒害了氧气掺入反应，”Tuller说。在某一点之后，电池的效率已经下降到不值得再操作的地步。
“因此，如果你能通过减缓这一过程来延长燃料/电解池的寿命，或者理想情况下逆转它，你可以在使其实用方面走很长的路，”Tuller说。
该团队表明，您可以通过控制阴极表面的酸度来同时做到这两点。他们还解释了正在发生的事情。
为了实现他们的结果，该团队用氧化锂涂覆了燃料/电解池阴极，这种化合物将表面的相对酸度从酸性转变为更碱性。“在添加少量锂后，我们能够恢复中毒细胞的初始性能，”Tuller说。当工程师添加更多的锂时，性能的改善远远超过了初始值。“我们看到关键氧还原反应速率提高了三到四个数量级，并将这种变化归因于在电极表面填充驱动氧掺入反应所需的电子。
工程师们继续通过观察纳米级或十亿分之一米的材料，用最先进的透射电子显微镜和电子能量损失光谱来解释正在发生的事情。“我们有兴趣了解不同化学添加剂[铬和氧化锂]在表面上的分布，”LeBeau说。
他们发现，氧化锂有效地溶解了铬，形成了一种玻璃状材料，不再用于降低阴极性能。
传感器、催化剂等的应用
Tuller说，像燃料电池这样的许多技术都是基于氧化物固体快速吸入其晶体结构中的氧气的能力。麻省理工学院的工作基本上展示了如何通过改变表面酸度来恢复和加速这种能力。因此，工程师们乐观地认为，这项工作可以应用于其他技术，包括传感器、催化剂和基于氧气渗透的反应器。
该团队还在探索酸度对被不同元素(如二氧化硅)中毒的系统的影响。
Tuller总结道：“就像科学界经常发生的情况一样，你偶然发现了一些东西，并注意到一个以前没有意识到的重要趋势。然后你进一步测试这个概念，你会发现它真的非常基本。
除能源部外，这项工作还由韩国国家研究基金会，麻省理工学院材料科学与工程系资助，通过Tuller被任命为R.P.西蒙斯陶瓷和电子材料教授，以及空军科学研究办公室。
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