在简单酸处理中发现提高绿色技术效率的关键

开发新的、更高效的电化学电池可以为无碳氢和化学生产以及大规模发电和储存提供一个很好的选择。

但首先，科学家们必须克服几个挑战，包括如何使细胞更高效、更具成本效益。

最近，由爱达荷州国家实验室领导的一个研究小组使用一种简单的工艺在质子陶瓷电化学电池(也称为 PCEC)内更紧密地结合材料，解决了限制该技术性能的一个谜团。结果发表在最新一期的科学杂志《自然》上。这是近 30 年来在该期刊上发表的第一篇由 INL 主导的研究论文。

该团队包括来自麻省理工学院、新墨西哥州立大学和内布拉斯加大学林肯分校的研究人员。

正如可充电电池使用化学物质来储存电力供以后使用一样，PCEC 可以将多余的电力和水转化为氢气。PCEC也可以反向运行，将氢气转化为电能。该技术使用称为钙钛矿的结晶材料，这种材料价格低廉，能够在很宽的温度范围内工作。

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。

从理论上讲，与类似类型的电化学电池相比，PCEC 应该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。

“由于 PCEC 的高电导率和相关的小活化能，PCEC 应该表现良好，”INL 杰出的工程师/科学家 Dong Ding 说。“然而，我们发现他们目前的表现低于我们的预期，我们在 INL 的团队自 2017 年以来一直致力于了解原因。”

该团队着手通过测量质子(带正电的氢原子)流过电极/电解质界面的程度来解决这个谜团。果然，界面是问题。具体来说，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 和他的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。“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，”该项目的博士后研究员和主要贡献者边文娟说。“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粗糙杯子的潮湿粘土一样。

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，电池稳定性显着提高，尤其是在某些极端条件下。

吴说，这个过程可以为许多“清洁和绿色氢”应用打开大门。

“高性能的 PCEC 使我们能够将工作温度降低到 350 摄氏度，”丁说。“降低的工作温度为包括电堆在内的大规模组装提供了更便宜的材料。更重要的是，该技术在与当前几个重要的工业过程(包括氨生产和 CO2减少)相同的温度范围内运行。匹配这些温度将加快“该技术在现有行业中的采用。事实上，我们正在通过将这项技术整合到我们的制造流程中来加速 INL 这些电池的放大。”