北京同步辐射装置助力燃料电池领域新进展
时间 : 2020-07-20     
 

  燃料电池技术是国家能源发展战略的一个重点领域,高离子电导率的电解质开发,是解决目前燃料电池应用的关键。 

  中国地质大学(武汉)燃料电池研究团队,首次通过半导体异质界面电子态特性,把质子局域于异质界面,设计和构造具有最低迁移势垒的质子通道。中科院高能所北京同步辐射装置(BSRF1W1B实验站的工作人员利用北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)兼用光运行模式,积极协助该研究团队通过邮寄样品方式开展了测试分析工作。该项研究成果于2020710日发表在国际著名期刊《科学》(Science)上(Science, 2020, 369 (6500), 184-188)。 

  本研究如同给质子修建高速公路,即利用半导体异质界面场诱导金属态,助推超质子实现又快又好地“跑起来”,从而获得优异的电导率。与传统电解质材料相比,其电导率提升了3个数量级,并且实现了先进质子陶瓷燃料电池的示范(图1)。 

  该研究工作依托北京同步辐射装置的X射线吸收谱学实验技术开展了燃料电池中电解质NCO/CeO2氢化行为前后结构转变的研究。新鲜的NCO/CeO2和经过电池测试后的NCO/CeO2样品的X射线吸收近边结构(XANES)谱的对比(图2)表明两种处理的NCO/CeO2结构并没有发生变化。此结果说明NCO/CeO2的氢化过程仅在电池操作的在线过程中进行,与原位拉曼结果一致。 

  该成果将促进新一代燃料电池研究和发展,对发展能源新材料和新技术具有重要科学意义和应用价值。该项研究实验期间正值2020年春节假期、新型冠状病毒肺炎疫情全国肆虐期。    

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/369/6500/184

 

1 设计和构造具有最低迁移势垒的超质子高速通道(AB);获得极其优异的质子电导率(较传统钇稳定二氧化锆电解质材料的电导率提升了约3个数量级(C);实现了先进燃料电池示范,在520摄氏度,输出超过1000毫瓦/平方厘米的功率密度(D)。 

   

图2 NCO/CeO2反应前后的XANES谱图;(A)Co的K边;(B)Ce的L3边。