High-entropy perovskites, architectured by s0/d0/d10 cations, as novel electrolytes for solid oxide fuel cells

想象一个我们呼吸的空气洁净如初，而为我们的城市提供动力的能源并非来自燃烧古老的化石，而是来自一种简单的、清洁的元素：氢。氢就像是一个超级充电电池，当它被使用时，只会留下水作为副产品。为了将这种氢转化为电能，科学家们使用了一种被称为燃料电池的特殊机器。把燃料电池想象成一个微型的高科技发电厂，它没有像汽车发动机那样具有运动部件；相反，它利用化学反应来产生能量。

然而，为了让这些机器高效运行，它们内部需要一个非常特殊的“桥梁”，叫做电解质。这个桥梁的任务非常棘手：它必须允许带电的微小粒子（质子）穿过它以产生电流，但必须严格阻挡电子和气体的通过，否则整个系统就会发生短路。长期以来，最好的桥梁材料都需要极高的温度才能工作，这使得它们既昂贵又脆弱。科学家们一直在寻找一种新的桥梁材料，这种材料能在较低的温度下良好工作，由常见元素组成（而非稀有且昂贵的元素），并且不会轻易损坏。这就是构建那座完美之桥的新尝试的故事。

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高熵厨房：调制完美的配方

在这项研究中，研究人员决定尝试一种新的材料“烹饪方法”。他们不再只使用一两种成分来制作电解质桥，而是决定制作一锅“高熵”汤。想象一下你在烤蛋糕。通常，你可能只用面粉和糖。但如果你同时加入五种不同类型的面粉、五种不同类型的糖和五种不同的香料会怎样？在原子世界中，这种混乱的混合被称为“高熵”。其理念在于，通过将如此多种类的原子混合在单个晶体结构中，材料会变得极其稳定，并获得简单配方无法实现的独特超能力。

团队使用一种称为高压扭转（HPT）的特殊技术创造了三个不同版本的这种“原子汤”。把 HPT 想象成一个巨大的工业搅拌机，它用千头象的力量挤压并扭转粉末，迫使原子进行极其精细的混合，直到它们变成一种均匀的物质。然后，他们烘焙这些混合物以创建三种新型钙钛矿晶体（一种原子喜爱的特定形状）。

他们测试了三个配方：

1. 钛-锆-铪混合物： 一种由三种具有空电子壳层（就像空闲的停车位）的金属组成的混合物。
2. 镓-镧-锡混合物： 一种由三种具有全满电子壳层（就像停满了车的停车位）的金属组成的混合物。
3. 钛-锆-锡混合物： 一种包含既有空壳又有满壳的“混合型”混合物。

竞赛：谁能做出最好的桥梁？

研究人员使用这三种新材料作为核心桥梁（电解质）构建了微型燃料电池。他们连接了一个“燃料”侧（阳极）和一个“空气”侧（阴极），并测试了每个电池将氢转化为电能的效果。

结果非常明确，其中一个配方脱颖而出成为了冠军。

获胜者： 使用混合配方（包含钛、锆和锡）的燃料电池是明显的赢家。它在 973 K 的温度下产生了 0.53 W.cm⁻² 的最大功率密度。这意味着它产生的电量比其他两个版本都要多。

落选者：

• 使用“全空壳”混合物（钛、锆、铪）的燃料电池表现尚可，达到了 0.42 W.cm⁻²，但不如获胜者出色。
• 使用“全满壳”混合物（镓、镧、锡）的燃料电池表现挣扎。它仅达到了 0.06 W.cm⁻²。研究人员发现，这种材料很难被正确地烘焙；在加热过程中，它产生了孔洞和空隙（就像一个有很多气孔的海绵），这破坏了它作为固体桥梁的能力。

为什么混合配方会获胜？

研究人员使用强大的显微镜和 X 射线工具观察了获胜材料的内部，以弄清楚它为何如此出色。他们发现了几个关键原因：

1. 电子的“鸡尾酒效应”： 获胜材料拥有由空电子壳层原子和满电子壳层原子组成的混合体。科学家认为，这创造了一种电子的“交通堵塞”。由于电子难以在不同类型的原子之间跳跃，它们会被卡住。对于电解质来说，这实际上是一件好事！它阻止了电流通过不该通过的桥梁，从而迫使质子承担工作。
2. 完美的间距： 获胜材料中的原子间距设计得恰到好处。金属原子与氧原子之间的距离经过优化，有助于质子（氢离子）快速移动。这就像一条走廊，宽度刚好允许人们奔跑而不会互相碰撞。
3. 微小孔隙（空位）： 该材料具有结构中特有的、有意的微小间隙，称为氧空位。这些空位充当了“踏脚石”，帮助质子从桥的一侧跳向另一侧。研究人员指出，这些间隙是通过他们的特殊混合过程创造的，而不是通过添加额外的化学物质。

结论

这项研究表明，这种新型“混合型”高熵材料是下一代燃料电池非常有前景的候选材料。它无需使用稀土金属（这些金属昂贵且难以获取），并且在中温环境下表现良好。

然而，研究人员谨慎地指出，尽管性能优异，但该材料仍处于“成长期”。当他们对获胜电池进行 40 小时 的测试时，其性能缓慢下降。他们怀疑这可能是由于电极磨损或材料随时间发生反应，而非桥梁本身破损所致。他们还注意到，带有“全满壳”混合物的燃料电池之所以失败，是因为它无法被制造得足够致密。

简而言之，这篇论文表明，通过以一种混乱但受控的方式混合不同类型的原子，我们可以创造出更好的新材料。这种混合的 $s^0/d^0/d^{10}$ 阳离子配方（即含有钛、锆和锡的配方）看起来是最有希望的路径，但科学家仍需解决如何使其在现实世界条件下更持久的问题。