质子传导材料可以实现新的绿色能源技术

Josiah01

　　顾名思义，当今大多数电子设备都是通过电子运动来工作的。但能够有效传导质子（氢原子核）的材料可能是应对全球气候变化的多项重要技术的关键。
　　目前，大多数质子传导无机材料都需要高温才能达到足够高的导电性。然而，低温替代品可以实现多种技术，例如更高效、更耐用的燃料电池，用于从氢气中产生清洁电力；电解器，用于生产清洁燃料，如用于运输的氢气；固态质子电池，甚至基于离子电子效应的新型计算设备。
　　为了推动质子导体的发展，麻省理工学院的工程师们已经确定了某些可实现快速质子传导的材料特性。通过定量分析这些特性，该团队确定了六种有望成为快速质子导体的新候选材料。模拟结果表明，这些候选材料的性能将远远优于现有材料，尽管它们仍需通过实验进行验证。除了发现潜在的新材料外，这项研究还在原子层面上更深入地了解了这些材料的工作原理。
　　这项新发现发表在《能源与环境科学》杂志上，由麻省理工学院教授 Bilge Yildiz 和 Ju Li、博士后 Pjotr​​s Zguns 和 Konstantin Klyukin 以及他们的合作者 Sossina Haile 和她的西北大学学生撰写。Yildiz 是核科学与工程系和材料科学与工程系的 Breene M. Kerr 教授。
　　“质子导体在燃料电池等清洁能源转换应用中必不可少，我们使用氢气来生产不含二氧化碳的电力，”Yildiz 解释道。“我们希望高效地完成这个过程，因此我们需要能够通过此类设备快速传输质子的材料。”
　　目前生产氢气的方法，例如蒸汽甲烷重整，会排放大量二氧化碳。“消除二氧化碳的一种方法是通过电化学方法从水蒸气中生产氢气，而这需要非常好的质子导体，”Yildiz 说。其他重要的工业化学品和潜在燃料（如氨）的生产也可以通过需要良好质子导体的高效电化学系统进行。
　　但大多数传导质子的无机材料只能在 200 至 600 摄氏度（约 450 至 1,100 华氏度）甚至更高的温度下工作。这样的温度需要能量来维持，并且可能导致材料降解。
　　“提高温度并不可取，因为这会使整个系统更具挑战性，而且材料的耐久性也会成为一个问题，”Yildiz 说，“室温下不存在良好的无机质子导体。”
　　她说，目前，唯一已知的室温质子导体是一种聚合物材料，由于它不能轻易缩小到纳米范围，所以不适用于计算设备。
　　为了解决这个问题，该团队首先需要对质子传导的工作原理进行基本的定量理解，并以一类称为固体酸的无机质子导体为例。“首先必须了解是什么控制着这些无机化合物中的质子传导，”她说。在观察材料的原子结构时，研究人员发现了一对与材料质子承载潜力直接相关的特性。
　　正如 Yildiz 所解释的那样，质子传导首先涉及质子“从供体氧原子跳跃到受体氧原子。然后环境必须重新组织并带走被接受的质子，以便它可以跳跃到另一个相邻的受体，从而实现长距离质子扩散。”
　　她说，这个过程发生在许多无机固体中。她说，弄清楚最后一部分是如何运作的——原子晶格如何重组，将接受的质子从原始供体原子中夺走——是这项研究的关键部分。
　　研究人员利用计算机模拟研究了一类称为固体酸的材料，这种材料在 200 摄氏度以上会成为良好的质子导体。这类材料具有称为多阴离子基团亚晶格的子结构，这些基团必须旋转并将质子从其原始位置带走，以便它能够转移到其他位置。
　　研究人员能够识别出有助于该亚晶格柔韧性的声子，这对于质子传导至关重要。然后他们利用这些信息梳理大量理论上和实验上可行的化合物数据库，以寻找更好的质子传导材料。
　　结果，他们发现了固体酸化合物，它是一种很有前途的质子导体，而且已经被开发和生产用于各种不同的应用，但以前从未作为质子导体进行研究；这些化合物被证明具有恰到好处的晶格柔性特性。
　　随后，该团队对初步筛选出的特定材料在相关温度下的表现进行了计算机模拟，以确认它们是否适合用作燃料电池或其他用途的质子导体。果然，他们发现了六种有前途的材料，预测的质子传导速度比现有的最佳固体酸质子导体更快。
　　“这些模拟存在不确定性，”Yildiz 提醒道。“我不想确切地说电导率会高多少，但这些看起来非常有希望。希望这能激励实验领域尝试以不同的形式合成它们，并利用这些化合物作为质子导体。”
　　她说，将这些理论成果转化为实际设备可能需要几年时间。她说，最有可能的首批应用是电化学电池，用于生产燃料和化学原料，如氢和氨。