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燃料电池的“春天”即将来临

刘健文

固体氧化物燃料电池是替代传统发电厂的一种最佳选择,它使用的电化学方法,比现有的基于燃烧的发电机发电效率更高。但燃料电池的降解速度往往太快,成本的增加与带来的效率提升成正比关系。

日前,美国威斯康辛大学麦迪逊分校的工程师们对燃料电池的化学反应取得了新的突破。“燃料电池是一项具有潜在的颠覆性能力的技术”威斯康辛大学麦迪逊分校材料科学与工程学教授、该研究负责人戴恩·摩根表示,“退化问题一直是阻止其进入消费者市场的一个主要障碍。”他和他的合作者最近在《自然一通讯》杂志上发表了他们的研究成果。

“高温”是燃料电池退化的一个原因,因为这些设备必须在极高的温度下工作一产生电能的化学反应需在大于1500华氏度才能发生燃料电池是将氧气与外部燃料源结合,这与火灾中发生的热和光的转化过程类似。然而,燃料电池是在没有燃烧的情况下完成这些化学反应。这就是为什么燃料电池可以比燃烧能量产生效率更高的原因。

然而,燃料电池的工作原理与电池有几分相似,同样由两个电极组成,两电极之间由一种运输离子的电解质材料隔开。其中一个电极将空气中的氧气分解成单个的原子,然后这些可以运输的原子与燃料结合。重要的是,氧气的分解释放了电子,这些电子可以作为电流通过电路为家庭或设备提供电能。这种氧分解反应发生在一个叫做正极的部件上。

但氧气化学稳定性强,不容易被分解,因此,在低温条件下,用相容的材料高效地驱动化学反应的挑战性是一直存在的,部分原因是研究人员并不真正了解发生在正极上的原子尺度上的化学反应细节。

为了使氧进入正极,气体分子必须分裂成两个原子。然后每个原子必须与一个叫做空位的结构相遇,这是材料表面允许氧气进入的一个小的分子间隙。理解这个过程是困难的,因为它发生在正极的顶层原子层,其化学性质可能与材料的主体大不相同。

“测量这两层的化学组成和空位是非常具有挑战性的。”摩根说,这就是他和同事们转向计算机模拟的原因。作为分子模型方面的领先专家,他们将密度泛函理论和动力学模型结合起来,从原子水平深入了解发生在正极顶部两层的反应。

研究小组断定,在被研究的材料中,分裂并不是限制速度的步骤。他们意识到,氧原子在表面找到并进入空位的过程是限制燃料电池效率的关键。因此,具有更多空位的材料可能会使燃料电池的效率大大提高

研究人员专注于一种特殊的材料,即用于许多普通燃料电池阴极的模型化合物,称为钴酸镧锶。他们计划不久将分析范围扩大到其他材料。

该发现的影响可能不仅局限于燃料电池。与环境交换氧气的材料包括许多应用,例如,水的分解、二氧化碳的减少、气体的分离及被称为忆阻器的电子元件等

(选自《中国科学报》2019.5.27)

1.下列关于“燃料电池”的分析和理解,正确的一项(   )

A.固体氧化物燃料电池使用电化学方法,其降解速度非常快,成本越高,而效率可能会越低。

B.“高温”是燃料电池退化的主要原因,因为产生电能的化学反应需在大于1500华氏度才能发生。

C.燃料电池和电池的工作原理有相似之处,都是由两个电极组成,并用一种电解质材料隔开。

D.戴恩·摩根认为燃料电池是一种具有颠覆性能力的技术,但进入消费者市场的却有障碍。

2.下列对原文内容的概括和分析,正确的一项是(   )

A.固体氧化物燃料电池替代传统发电厂是好的选择,因为燃料电池使用的是电化学方法,发电效率更高。

B.摩根认为测量这两层的化学组成和空位是非常困难的,因此他和同事们用计算机模拟,所以成了分子模型方面的领先专家。

C.研究小组认为,分裂并不是限制速度的步骤,氧原子在表面找到并进入空位的过程才是限制燃料电池效率的关键。

D.因为研究人员并不真正了解发生在正极上的原子尺度上的化学反应细节,这让低温条件下用相容的材料高效地驱动化学反应具有挑战性。

3.结合全文,你认为阻止燃料电池进入市场的原因有哪些方面?简要概括。

高三语文现代文阅读中等难度题

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