固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池有望实现高效、低污染的能量转换，以满足不断增长的全球能源需求。但这些装置需要良好的催化作用来加快氧还原反应（ORR）：在燃料电池中，该反应发生于阴极；在电解池中，则发生于阳极。
“这确实是这两种清洁能源技术的瓶颈，”麻省理工学院材料科学与工程专业研究生Qiyang Lu说。
Lu与同为核科学与工程专业研究生的Lixin Sun合作，在核科学与工程副教授 Bilge Yildiz 的指导下，开发通过对材料施加应变来加速氧还原反应的技术，以应用于固体氧化物燃料电池。Lu负责研究中的实验部分，重点研究阴极材料表面的氧交换；Sun则负责计算研究，考察固态电解质和阴极中的离子活性。
“我们的动机是降低固体氧化物燃料电池的工作温度；然而，离子扩散和表面反应都由热激活。要维持高效率，又需要达到一定温度。因此，我们可以利用晶格应变来改善材料性能，例如加快阴极反应或电解质中的氧扩散，从而在较低温度下维持相同的能量转换效率。这就是我们努力追求的最终目标，”Sun说。
Lu研究氧化钕镍，也称镍酸钕，化学式为Nd2NiO4+δ，其中δ表示材料中过量氧的含量；δ（德尔塔）越大，这种材料在燃料电池中的性能就越好。“这是一种含有两种不同阳离子、以氧为阴离子的复杂氧化物，具有很有前景的电化学性质，可用作固体氧化物燃料电池的阴极材料，”Lu说。
利用弹性应变
众所周知，拉伸或压缩氧化物或陶瓷材料会改变其某些性质。Lu解释说：“我们想弄清楚的是，拉伸这类氧化物时，应变能否增强它的催化性能？”
Sun说，应变有两种：弹性应变，就像拉伸橡皮筋时产生的应变；应变解除后，材料会恢复到初始状态。另一种是塑性应变，材料发生变形后无法恢复原状。后一种应变通过在材料中形成位错来释放。
Lu和同事正在研究弹性应变如何提升氧化物的性能，使其成为未来固体氧化物燃料电池更好的阴极材料。Lu在麻省理工学院采用一种称为脉冲激光沉积的技术，制备受应变的纳米级薄膜。他在布鲁克海文国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室对这些薄膜进行实验表征，尤其使用原位X射线光电子能谱（XPS）；在麻省理工学院，他则结合使用X射线衍射、非原位XPS和扫描探针技术。
Sun研究萤石结构的掺杂氧化物（如氧化铈和氧化锆），重点是增强电解质材料中的离子活性。她查阅了应变效应方面的科学文献，发现研究结果差异极大：从萤石晶格结构的YSZ/STO夹层薄膜中性能提升八个数量级，到完全没有提升。“文献中的实验结果分散程度很大，”Sun说，“这一定有原因。”考察位错 Sun说，她对早期研究的审查发现，部分研究材料中含有位错。位错是材料微观结构中的延展缺陷，会使应变得到释放。Sun说：“位错是指由机械变形或晶体生长过程中引起的晶体结构不连续。”她解释说，在完美的块体晶体结构中，原子在晶格中排列整齐。然而，应变导致塑性变形时，晶体结构会因形成位错而出现不连续。“在这个缺陷周围，其他原子仍遵循相同的晶体结构，但它们偏离了理想位置。”
Sun指出，位错密度高，或许可以解释为何不同研究者对这些薄膜性能的研究结果各不相同。但位错的直接实验研究可能很难实现，因为缺陷的半径可能小至5埃，也就是仅0.5纳米，而且很难一次只分离出一个位错的影响。“这就是为什么需要计算模拟：以原子尺度处理问题，并一次研究一个位错，”Sun说。她采用第一性原理、分子动力学和蒙特卡洛计算，从原子尺度理解位错的影响，并对掺杂氧化铈基氧化物中的氧离子电导率进行建模。
Sun解释说：“在固体氧化物燃料电池中，需要让氧从一侧移动到另一侧。对于电解质，我们希望氧尽可能快速、尽可能大量地移动。”
一些研究者认为位错可以加快氧传输，另一些则认为位错会释放材料中的弹性应变，降低离子电导率。
Sun解释说：“我们要做的就是澄清这个问题：位错究竟能加快还是减慢离子电导率，并以此为电解质结构设计提供指导。”
高速公路类比
Sun把氧传输比作汽车在高速公路上行驶：驶上畅通无阻的高速公路时，汽车可以开得很快；但如果所有车辆同时涌上公路，就会造成拥堵。Sun推测，掺杂萤石氧化物（如氧化铈和氧化锆）中的氧传输也会出现类似情况。少量缺陷可能加快这一过程，但如果大量缺陷聚集在位错附近，传输就可能减慢。
Yildiz说，根据以往对金属中位错的研究，氧化物材料中的这一发现出乎意料。她解释说：“对于燃料电池、电解槽和膜中使用的氧化物而言，它们本身具有快速离子传导能力，因此‘高速公路式位错’这一概念需要重新审视，因为这类氧化物中存在带电缺陷，而带电缺陷之间的静电相互作用可能导致氧被困住。金属中不会出现如此强的静电相互作用。直接把从金属得出的快速通道假设套用到氧化物上，可能不适用于氧化物微观结构设计。”
Sun说，她的研究为此前大量结论不一的实验研究提供了新的视角。“我们认为这项工作很重要，因为我们研究的是实际技术应用中将会使用的材料结构；了解位错的作用，有助于设计材料的微观结构，从而提升性能，”Sun说。
Sun是三年级研究生，本科毕业于中国北京大学物理学专业；同为三年级研究生的Lu在中国清华大学获得材料科学与工程专业理学学士学位。
本文由以下机构合作发布： MIT News
作者：Denis Paiste是麻省理工学院材料加工中心的科学撰稿人。
图片：加利福尼亚州特哈查比风电场的风力涡轮机。路透社/Mario Anzuoni
