隨著全球能源需求不斷增加，研究人員、行業領導者、政府和其他利益相關者正在共同努力探索生產能源的新方法。隨著世界面臨氣候危機並尋找化石燃料的替代品，這一努力變得更加緊迫。
固體氧化物燃料電池（SOFC）是一項備受關注的技術。與電池不同，它們釋放儲存的化學能。這些燃料電池將化學燃料直接轉化為電能。只要還有燃料，就可以儲存能量來發電。許多人都熟悉氫燃料電池，它利用氫氣來產生電和水。
為什麼高工作溫度是一個重大挑戰？
儘管 SOFC 以其高效率和長使用壽命而聞名，但它有一個重要的局限性：它需要非常高的溫度，大約 700-800°C 才能正常運行。達到並維持這些溫度需要能夠承受極熱的特殊材料。這使得系統變得昂貴。
九州大學的研究人員在《自然材料》雜誌上發表報告稱，他們開發出了一種可在低至 300°C 的溫度下高效工作的 SOFC。該團隊表示，這一突破可以顯著降低成本。支持低溫下SOFC形成，提高實際使用速度
電解質在燃料電池性能中的重要作用。
每個 SOFC 的核心都有一種稱為電解質的成分。這是一個陶瓷層，可在燃料電池的電極之間移動帶電粒子。在氫燃料電池中該層含有氫離子。電解質（也稱為質子）使細胞能夠產生電力。然而，電解質通常需要非常高的溫度才能使這些質子移動得足夠快以實現有效運行。
九州大學跨學科能源研究平台的 Yoshihiro Yamazaki 教授表示：“將工作溫度降低至 300°C 將降低材料成本，並為消費級系統打開大門。” “然而，沒有一種已知的陶瓷能夠在如此‘溫暖’的條件下以足夠快的速度攜帶質子，因此我們開始打破這一瓶頸，”該研究主任說。
解決晶格中的雜質問題
電解質由排列在晶格中的原子組成。質子穿過這些原子之間的空間。科學家們花了數年時間測試各種材料和化學雜質。這是一種改變材料特性的物質，它希望提高質子穿過晶格的運動速度。
“但這也伴隨著挑戰，”山崎解釋道。 “添加化學雜質可以增加穿過電解質的質子數量。但它通常會堵塞晶格。並減慢質子的速度。我們尋找可以容納許多質子並允許它們自由移動的氧化物晶體。這就是我們的新教育最終實現的平衡。”
使用 Sc 摻雜 BaSnO3 和 BaTiO3 在 300°C 下進展
研究小組發現有兩種類型的氧化物：錫酸鋇（BaSnO3）和鈦酸鋇（BaTiO3) 當摻雜高含量的鈧 (Sc) 時，在 300°C 時可達到超過 0.01 S/cm 的目標質子電導率。該電導率與當前 SOFC 電解質在 600-700°C 時的電導率相似。
“結構分析和分子動力學模擬表明，Sc 原子橋接周圍的氧形成‘ScO’。6 質子行駛的高速公路對移民的障礙異常低。這條路徑既寬又振動輕柔，這可以防止質子俘獲，而質子俘獲通常會在氧化物中形成大量雜質。 ”山崎說。進一步透露，BaSnO3 和鈦酸鋇3 它們本質上比傳統的 SOFC 材料“更軟”，吸收的 Sc 比之前想像的要多得多。 ”
打開廉價低溫燃料電池的大門
這些結果推翻了添加更多雜質和保持快速離子遷移率之間長期以來的權衡。這為廉價的中溫 SOFC 創造了一種有前景的方法。
“除了燃料電池之外，同樣的原理還可以應用於其他技術，例如低溫電解質、氫泵和轉化二氧化碳的反應器。2 成為一種有價值的化學品這將有助於增加減少碳排放的影響。我們的工作將長期存在的科學分歧轉化為實際的解決方案。讓負擔得起的氫能源更接近日常生活。 ”山崎總結道。
