科学家在简单酸处理中发现提高绿色技术效率的关键

对于无碳氢和化学生产以及大规模发电和储存而言，新的、更高效的电化学电池非常有必要，但科学家需要解决使电芯性能和成本受限的诸多挑战。

据外媒报道，由爱达荷州国家实验室（Idaho National Laboratory，INL）领导的一个研究小组通过使用一种简单工艺，可在质子陶瓷电化学电池（PCEC）内更紧密地结合材料，从而解决了限制该技术性能的一个难点。

图片来源：爱达荷州国家实验室

该团队的研究人员分别来自麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）、新墨西哥州立大学（New Mexico State University）和内布拉斯加大学林肯分校（University of Nebraska-Lincoln）。

正如可充电电池使用化学物质来储存电力供后续使用一样，PCEC也可以将多余的电力和水转化为氢气。不仅如此，PCEC还可以反向运行，将氢气转化为电能。该技术使用的是钙钛矿结晶材料，这种材料价格低廉，且工作温度范围较宽。

美国的研究人员正在开发主要用于制氢的电化学电池，以及其他几种应用。这些电池产生的氢气也可用作热能、车辆、化学生产或其他应用的燃料。

理论上讲，与类型相似的电化学电池相比，PCEC可在更宽的温度范围内更有效地运行。但直到现在，研究人员还无法实现该技术的理论潜力。

INL工程师/科学家Dong Ding表示：“凭借高电导率和相关的小活化能，PCEC应该表现良好。然而，我们发现PCEC的当前表现低于我们的预期，因此INL团队自2017年以来就一直致力于了解这一原因。”

该团队试图通过测量质子（带正电的氢原子）流过电极/电解质界面的程度来解决该问题，结果发现确实是界面问题。INL的材料工程研究员Wei Wu怀疑电极和电解质的结合不够紧密。

Ding及其同事使用简单的酸处理将电极与电解质结合，从而更有效地传递能量。该项目的博士后研究员和主要贡献者Wenjuan Bian表示：“简单的酸处理可以使PCEC的表面恢复活力，帮助其实现最佳性能。这种方法可以很容易地扩大规模并集成到大型电池和电堆制造中。”

经过仔细检查，研究人员发现，酸处理增加了电极和电解质之间的接触面积，使表面粗糙，就像陶工在连接手柄之前将杯子的潮湿粘土粗糙化一样。

增加的表面积导致电极和电解质之间的结合更紧密，从而使氢原子更有效地流动。此外，电池稳定性显著提高，尤其是在某些极端条件下。

Wu说，这个过程可以为许多“清洁和绿色氢”应用打开大门。Ding表示：“高性能的PCEC使我们能够将工作温度降低到350℃。降低的工作温度为电堆等大规模组装提供了更便宜的材料。更重要的是，该技术可在与部分重要工业过程（包括氨生产和二氧化碳减排）相同的温度范围内运行，从而加快该技术在现有行业的应用。”