(圖片來(lái)源：麻省理工學(xué)院)

采用固體金屬氧化物電解質(zhì)的燃料電池/電解池(fuel/electrolysis cell)具有諸多優(yōu)勢(shì)。例如，在電解模式下，可以將可再生能源電力有效轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存燃料，如氫或甲烷等;在燃料電池模式下，當(dāng)陰天或不刮風(fēng)時(shí)，可以使用這些燃料來(lái)發(fā)電;而且，制造設(shè)備時(shí)可以不使用鉑等昂貴金屬。然而，這些設(shè)備的商業(yè)化受到阻礙，部分原因在于其會(huì)逐漸退化。從燃料電池/電解池的連接處滲出的金屬原子，會(huì)慢慢侵蝕設(shè)備。

麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系(DMSE)陶瓷與電子材料R.P. Simmons教授Harry L. Tuller表示：“研究人員已經(jīng)證明，不僅可以逆轉(zhuǎn)這種退化，而且可以通過(guò)控制空氣電極界面的酸度，將設(shè)備性能提高到初始值以上。”

燃料電池/電解池主要分為三部分：正負(fù)極(或陰陽(yáng)極)兩個(gè)電極被電解質(zhì)隔開。在電解模式下，來(lái)自風(fēng)能的電力可以用來(lái)產(chǎn)生甲烷或氫氣等可儲(chǔ)存燃料。另一方面，在反向的燃料電池反應(yīng)中，所儲(chǔ)存的燃料可以在不刮風(fēng)的時(shí)候用來(lái)發(fā)電。

燃料電池/電解池由許多堆疊在一起的單個(gè)電芯組成，這些電芯由包括鉻元素在內(nèi)的鋼金屬連接件連接起來(lái)，以防止金屬氧化。但是，在電池的高運(yùn)行溫度下，一些鉻會(huì)蒸發(fā)并遷移到正極(或陰極)和電解質(zhì)之間的界面上，從而破壞氧氣摻入反應(yīng)。達(dá)到某一點(diǎn)后，電池的效率就會(huì)降至臨界點(diǎn)，無(wú)法再工作。Harry Tuller表示：“如果能夠減緩或逆轉(zhuǎn)這個(gè)過(guò)程，延長(zhǎng)燃料電池/電解池的壽命，就大有希望實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。”

該團(tuán)隊(duì)表明，通過(guò)控制正極(或陰極)表面的酸度，可以做到這兩點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這一結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)在燃料電池/電解池的正極(或陰極)上涂上鋰氧化物。這種化合物可以將表面的相對(duì)酸性改變?yōu)閴A性。結(jié)果顯示，加入少量鋰后，被侵蝕的電芯能夠恢復(fù)初始性能。當(dāng)加入更多的鋰時(shí)，電芯性能明顯改善，遠(yuǎn)超過(guò)初始值。Harry Tuller表示：“關(guān)鍵的氧還原反應(yīng)速率提高了三到四個(gè)數(shù)量級(jí)，這要?dú)w因于電極表面填充了驅(qū)動(dòng)氧結(jié)合反應(yīng)所需的電子。”

研究人員利用領(lǐng)先的透射電子顯微鏡和電子能量損失譜，從納米尺度觀察材料，以了解其中發(fā)生的過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋰氧化物能夠有效地溶解鉻，從而形成一種玻璃材料，不再影響正極(或陰極)性能。

很多技術(shù)(比如固體氧化物燃料電池)都基于氧化物固體在其晶體結(jié)構(gòu)中快速吸入和呼出氧氣的能力。麻省理工學(xué)院的研究基本上展示了如何通過(guò)改變表面酸度來(lái)恢復(fù)和加速這種能力。研究人員認(rèn)為，這些研究結(jié)果可以應(yīng)用于其他技術(shù)，包括傳感器、催化劑和氧滲透反應(yīng)器。對(duì)于被不同元素(如二氧化硅)侵蝕的系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)還在探索酸度所能產(chǎn)生的相關(guān)影響。