撰文 / 钱亚光

设计 / 琚 佳

东京科学大学（Institute of Science Tokyo）的研究人员开发出一种基于铷（Rb）的新材料，有望大幅提升燃料电池技术水平。这种新材料具有高导电性，能够更高效地传输氧离子。

据东京科学大学化学系教授、该研究团队负责人八岛正知（Masatomo Yashima）介绍，这种新材料有助于使固体氧化物燃料电池（SOFC）等更清洁的能源技术更具实用性和经济性。

SOFC是一种将燃料的化学能直接转化为电能的电化学设备，效率高，对环境影响低。氧化物离子导体使氧化物离子（O²⁻）能够在SOFC中传输，可以使用多种燃料，而不仅仅是氢气，包括天然气、沼气，甚至某些液态碳氢化合物。这种灵活性使其在向氢经济转型期间特别有价值。

SOFC在高温（通常为600°C-1000°C）下运行，这允许更广泛的燃料选择和高转换效率。与其他类型的燃料电池相比，这项技术有几个优势，例如对杂质的敏感性低、燃料灵活性高和长期稳定性。此外，SOFC可用于各个领域，包括固定电源、运输和便携式电子产品，在发达国家和发展中国家都有潜在的应用。

尽管从能源可持续性的角度来看，固体氧化物燃料电池具有变革性的潜力，但其广泛应用仍受诸多因素限制，比如制造成本高昂，耐久性差，而且需要在极高的温度下才能正常工作。SOFC的这些固有的问题，一直阻碍着其被广泛采用。

要克服这些障碍，需要开发出更好的氧化物离子导体，世界各地的研究人员一直在尝试具有不同化学成分的新材料。

SOFC的潜在变革者

日本东京科学大学团队一直在寻找能让氧离子（O²⁻）在燃料电池内部快速移动的更好材料。研究人员选择铷基材料作为理想解决方案。

由于其独特的特性，铷被选为主要成分。首先，大原子尺寸有助于在晶体结构中产生许多间隙，为氧离子的移动创造了有利条件。铷离子（Rb+）是较大的阳离子之一（仅次于铯离子），这意味着其结构中有更多的“自由空间”，导致氧化物离子导电所需的活化能更低，也使材料的导电性更强。

其次，铷的活化能水平低，这减少了传输离子所需的能量量，从而提高了材料的导电性。这意味着氧离子能够在含铷的结构内自由移动。

基于这一想法，研究人员首先使用基于键价的能量计算对475种含铷的氧化物进行了计算筛选。他们发现，与天然存在的矿物棕榈石相似的棕榈石型氧化物材料，其氧化物离子迁移的能垒相对较低。

鉴于先前的研究表明，一些含铋（Bi）的材料和含钼（Mo）的氧化物具有较高的氧化物离子导电性，该团队选择了Rb5BiMo4O16作为有前景的候选材料。

为了验证这一选择，他们进行了一系列实验，包括材料合成、导电率测量、化学和电稳定性测试，以及详细的成分和晶体结构分析。他们还进行了理论计算和从头算分子动力学模拟，以探究所测性能背后的潜在机制。

研究结果非常令人鼓舞。正如八岛所言：“令人惊讶的是，Rb5BiMo4O16在300°C时表现出高达0.14mS/cm的氧化物离子电导率，这是在300°C时稳定氧化钇的氧化物离子电导率的29倍，可与具有类似四面体比例的领先氧化离子导体相媲美。”

铷燃料电池成为可能

铷有助于清洁能源技术，例如燃料电池、传感器和催化剂。

研究团队确定了几个因素来解释这种异常的氧化物离子电导率。首先，铷的大原子有助于氧化物离子导电性的低活化能。这种氧化物离子导电性还因晶体晶格中MoO₄四面体的旋转和排列而进一步增强。此外，材料中氧原子的各向异性大热振动也对氧化物离子导电性有贡献。最后，具有孤对电子的铋阳离子的存在也对降低氧化物离子迁移的活化能起着重要作用。

Rb5BiMo4O16的另一个显著特点是在各种条件下（包括二氧化碳流、湿空气流、湿氮气中含5%氢气的流体）在高温下仍具有稳定性，其在约21°C的水中也保持稳定。其在各种条件下的稳定性为固体氧化物燃料电池和清洁能源技术提供了有前景的发展方向。

“发现具有高导电性和高稳定性的含铷氧化物可能为氧化物离子导体的发展开辟一条新途径，”八岛评论道，“我们期望这些进展将为含铷氧化物带来新的应用和市场，并有助于降低固体氧化物燃料电池的工作温度和降低其成本。”

Rb5BiMo4O16化合物不仅提供了出色的性能，而且在高温、潮湿环境和水暴露等许多极端条件下也能保持稳定性。这开辟了这种材料在清洁能源系统中广泛应用的前景。

在这一领域的进一步研究,可能会为可持续能源应用中性能更优的氧化物离子导体铺平道路，同时也会为诸如氧气膜、气体传感器和催化剂等设备的研发提供助力，并有助于固体氧化物燃料电池在更低的温度下运行，从而使其成本更低、更耐用，并且在各种能源应用中更易于使用，并助力向更清洁的能源过渡。

他们的研究成果于2025年2月2日在线发表在《材料化学（he journal Chemistry of Materials）》杂志上。