燃料電池將氫等燃料中儲存的化學能轉化為電能。它的工作原理是使燃料與氧氣或其他可以從燃料中奪走電子的氧化劑發生反應。使用宇宙中最常見元素氫的燃料電池作為清潔、高效的能源具有廣闊的前景。當氫氣與燃料電池中的氧氣反應發電時，不會像化石燃料那樣產生污染物，結果只是水。燃料電池有兩個電極：陽極，燃料被氧化或失去電子；陰極，氧化劑被還原或獲得電子。
其中固態氧化物燃料電池（SOFC）和質子陶瓷燃料電池（PCFC）作為產生綠色電力的電化學裝置脫穎而出。然而，這些設備遇到了阻礙其進步和廣泛採用的障礙。理想情況下，SOFC 應在較低溫度下運行，以防止降解其組成材料的有害化學反應發生。然而，大多數已知的對 SOFC 至關重要的氧化物離子導體往往僅在較高溫度下才表現出足夠的離子電導率。
近期東京工業大學的科學家們取得了令人矚目的突破，成功開發出一種新型質子導體，為未來能源應用帶來了全新的可能性。
挑戰與突破
傳統的質子導體在中低溫度下存在導電性和穩定性的雙重挑戰，被學界稱為“Norby gap”。以往的解決方案經常通過引入受體摻雜物，卻因此導致“質子困擾”問題，限制了其應用範疇。
革新性策略
這次，東京工業大學的研究團隊提出了一種革新性的策略——通過在具有內在氧缺陷的母材料中進行供體摻雜。相較於傳統方法，這種方法避免了質子困擾效應，同時極大提高了質子導體的導電性和穩定性。
嶄新質子導體的誕生
研究人員以鈣鈦礦型材料BaScO2.5為基礎，成功實現了Mo6+的供體摻雜，創造出全新的質子導體——BaSc0.8Mo0.2O2.8（簡稱“BSM20”）。實驗結果驚人，BSM20在中低溫度範圍內展現出卓越的質子導電性，並在氧化、還原和二氧化碳環境下表現出色，具備高度穩定性。
應用前景
這項突破性的研究為質子陶瓷燃料/電解電池的發展開辟了新的前景。BSM20的出現將為未來能源轉換提供更高效、更穩定的解決方案，不僅能夠應對“Norby gap”，還有望應用於各種實際場景。
未來展望
全球許多國家正積極推動可持續能源技術的發展。在這方面，質子陶瓷（或質子導電）燃料/電解電池（PCFCs/PCECs）成為強大競爭者。這些設備能夠在低或中溫度下直接將化學能轉換為電能，且零排放，因此在新興應用中，如下一代分散式電源，它們成為一個極具吸引力的選擇。此外，與其他類型的燃料電池和電解器不同，PCFCs/PCECs無需貴金屬催化劑或昂貴的耐熱合金。
這一技術的突破將有助於推動可持續能源技術的發展，為未來能源轉換提供更高效、更穩定的解決方案。同時，這也意味著更廣泛的應用前景，特別是在建設下一代分散式能源系統方面，將成為一個引人注目的方向。值得期待的是，這項創新將推動我們邁向更清潔、更環保的能源未來。
參考文獻