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| 高溫電解技術(shù)：將水分解成氫氣來儲存能量 |
| （時間:2020-4-26 11:57:21） |
雖然風(fēng)能和太陽能等能源在生產(chǎn)無排放電力方面做得很好，但它們依賴于陽光和風(fēng)，因此供應(yīng)并不總是能滿足需求。同樣，核電站以最大容量運行時效率更高，因此發(fā)電不容易根據(jù)需求來隨時增加或減少。
幾十年來，能源研究人員一直試圖解決一個重大挑戰(zhàn)：如何儲存多余的電力，以便在需要的時候?qū)⑵溽尫呕仉娋W(wǎng)？
最近，愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory)的研究人員通過開發(fā)一種用于電化學(xué)電池的新電極材料，幫助解決了這一難題。這種電池可以有效地將多余的電和水轉(zhuǎn)化為氫。當電力需求增加時，電化學(xué)電池是可逆的，將氫轉(zhuǎn)化為電力供應(yīng)電網(wǎng)。氫還可以作為燃料用于取暖、車輛交通或其他用途。
研究結(jié)果發(fā)表在本周的《自然通訊》(Nature Communications)雜志網(wǎng)絡(luò)版上。
INL的高級工程師/科學(xué)家和化學(xué)處理組負責人丁冬(音譯，Dong Ding)說，研究人員早就認識到氫作為能量存儲介質(zhì)的潛力。
丁說：“儲能的巨大挑戰(zhàn)及其多樣化的研究和開發(fā)需求，為氫提供了更多的機會。我們的目標是將氫作為有效儲存能量的能源中間體�！�
丁和他的同事改進了一種叫做質(zhì)子陶瓷燃料電池(PCEC)的電化學(xué)電池，這種電池利用電將蒸汽分解成氫和氧。
然而，在過去，這些設(shè)備有局限性，尤其是它們需要在高達800攝氏度的高溫下工作。高溫需要昂貴的材料，導(dǎo)致降解速度加快，使其成本高得令人望而卻步。
在這篇論文中，丁和他的同事們描述了一種新的氧電極材料——同時促進水分解和氧還原反應(yīng)的導(dǎo)體。與大多數(shù)電化學(xué)電池不同的是，這種新材料——一種叫做鈣鈦礦化合物的氧化物——使該電池無需額外的氫就可以將氫和氧轉(zhuǎn)化為電。
在此之前，丁和他的同事為電極開發(fā)了一種三維網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，使得其有更大表面積可以將水分解成氫和氧。這兩種技術(shù)——3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和新型電極材料——可以在400到600攝氏度的溫度下進行自我持續(xù)、可逆的操作。
丁說：“我們證明了PCEC在如此低的溫度下進行可逆操作的可行性，可以在不需要任何外部供氫的情況下，將水解生成的氫轉(zhuǎn)化為電力，實現(xiàn)自持運行。這是高溫電解技術(shù)邁出的一大步。”
丁說，過去的氧電極只傳導(dǎo)電子和氧離子，而新的鈣鈦礦是“三重傳導(dǎo)”，也就是說它傳導(dǎo)電子、氧離子和質(zhì)子。在實際應(yīng)用中，三導(dǎo)電極意味著反應(yīng)發(fā)生得更快、更有效，因此可以在保持良好性能的同時降低操作溫度。
對于丁和他的同事們來說，關(guān)鍵在于找到一種方法將這種元素添加到鈣鈦礦電極材料中，從而使其具有三重導(dǎo)電性能——這個過程被稱為摻雜(doping)。愛達荷州國家實驗室化學(xué)處理組的材料科學(xué)家和工程師丁漢平(音譯，Hanping Ding)說：“我們成功地證明了一種有效的摻雜策略，以開發(fā)出一種良好的三導(dǎo)氧化物，它能使電池在較低的溫度下保持良好的性能�！�
在未來，丁冬和他的同事們希望通過將材料創(chuàng)新與前沿制造工藝相結(jié)合，繼續(xù)改進電化學(xué)電池，使該技術(shù)可以用于工業(yè)規(guī)模的項目。
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