第一作者：Chuancheng Duan
通訊作者：Chuancheng Duan、Ryan O’Hayre
第一單位：科羅拉多州立礦業(yè)學(xué)院（美國）
研究亮點：
1.發(fā)明了一種不積碳、不怕硫的超長壽命質(zhì)子陶瓷燃料電池。
2.系統(tǒng)研究了這種質(zhì)子陶瓷燃料電池對11種燃料的通用性。
化石能源污染大，不可再生，意欲取而代之者蕓蕓。燃料電池作為清潔能源的代表之一，具有高效率、無污染、成本低等優(yōu)勢，商業(yè)前景誘人。目前研究較多的固體氧化物燃料電池（SOFC）雖然具有高達50%以上的發(fā)電效率，但是極易積碳和硫中毒，導(dǎo)致性能急劇下降，壽命不繼。
因此，許多研究人員把研究目光放到了另一種燃料電池身上：質(zhì)子陶瓷燃料電池（PCFC）。PCFC不僅具有可與SOFC媲美的高效發(fā)電效率，而且在抗積碳和抗硫中毒方面更具優(yōu)勢。
圖1. 低溫質(zhì)子陶瓷燃料電池
Chuancheng Duan, Jianhua Tong，Ryan O’Hayre et al. Readily processed protonic ceramic fuel cells with high performance at low temperatures. Science 2015, 349, 1321-1326.
早在2015年，美國科羅拉多州立礦業(yè)學(xué)院Ryan O'Hayre教授課題組就曾在Science報道了一種低溫SOFC，當(dāng)時的第一作者是本科畢業(yè)于中國大連理工大學(xué)的中國留學(xué)生Chuancheng Duan。
Ryan O'Hayre（左）和Chuancheng Duan（右）
而3年后的今天，又是這對師徒作為共同通訊作者聯(lián)手攻關(guān)，在Nature雜志報道了一種不積碳、不怕硫、11種燃料通用的超長壽命質(zhì)子陶瓷燃料電池！
圖2. 11種燃料通用的超長壽命質(zhì)子陶瓷燃料電池
研究人員以BZY20、 NiO、 BaCO3、 ZrO2、 Y2O3 等粉體為原料分別制備負極材料和電解質(zhì)， BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3?δ為正極材料，系統(tǒng)考察了氫氣、甲烷、天然氣（含硫和不含硫）、丙烷、正丁烷、異丁烷、異辛烷、甲醇、乙醇、氨等11種燃料在500-600℃條件下對這種PCFC的適用性。所有材料未經(jīng)任何修飾，燃料未經(jīng)前處理。
研究結(jié)果表明：
1）所有11種燃料可在測試條件下穩(wěn)定工作1000小時而不發(fā)生明顯性能衰退（<1.5%），部分燃料功能的PCFC可以在測試條件下穩(wěn)定工作超過6000小時。
2）電池峰值功率密度可達到0.17（異辛烷）~0.66（H2）W cm-2。
3）電池可忍受較大的溫度波動，并在上千小時的測試過程中幾乎不發(fā)生積碳行為。
4）不論是低溫還是高溫條件下，19.5 ppm的硫含量都不對電池體系造成明顯的毒化（美國天然氣標(biāo)準(zhǔn)中硫含量限值為17 ppm）。
5）對于直鏈碳氫燃料，碳越多，電池性能越好：CH4?<?C3H8?<?C4H10。
6）對于醇類燃料，則呈相反趨勢：CH3OH?>?C2H5OH
圖3. PCFC工作過程中原位溶出的Ni納米顆粒
為了理解電池抗積碳機理，研究人員采用了SEM、TEM、原位拉曼等表征手段。結(jié)果表明，電池反應(yīng)過程中，負極表面溶出的Ni納米顆粒是電池抗積碳，具有超長壽命的關(guān)鍵原因。而這一機理，早在2015年的一篇文章中（Nat. Commu. 2015, 6, 8120.）就有類似報道。該文章指出，SrTiO3表面原位溶出的Ni納米顆粒和直接沉積于SrTiO3表面的Ni納米顆粒具有和基底迥異的界面和相互作用。
圖4. PCFC工作過程中碳和硫遷移機理
圖5. H2-PCFC在260-550℃條件下的熱循環(huán)測試
總之，這項研究成果為燃料電池的發(fā)展指明了新的方向，并極大地推動了質(zhì)子陶瓷燃料電池的商業(yè)化進程。
Chuancheng Duan, Ryan O’Hayre et al. Highly durable, coking and sulfur tolerant, fuel-flexible protonic ceramic fuel cells. Nature 2018, 557, 217–222.
