（圖片來源：greencarcongress）

 

       據外媒報道，由太平洋西北國家實驗室（PNNL）材料科學家領導的多機構研究團隊開發出一種耐用的高活性催化劑，不需依賴昂貴的鉑族金屬（PGM），即可對必要的化學反應起到催化作用。

 

       這種新催化劑中含有摻雜氮和碳的鈷。與由鐵制成的類似結構的催化劑（經過充分研究發現的另一種有前景鉑替代品）相比，研究團隊發現，鈷催化劑可以達到類似效果，但耐久性是其四倍。

 

       研究人員表示：“在1.0bar H2/O2燃料電池中，Co-N-C催化劑在0.9V阻抗補償（0.9 ViR-free）下的電流密度為0.022 A cm−2，峰值功率密度為0 64W cm−2，高于文獻報道的非鐵無鉑族金屬催化劑。重要的是，我們確定了M（金屬）-N-C催化劑的兩種主要降解機理：自由基氧化和活性中心脫金屬。與Fe-N-C相比，Co-N-C的耐久性提高，這要歸因于Co離子在芬頓反應中的活性較低，該反應從主要的氧還原反應副產物H2O2中產生自由基，并且Co-N-C的抗脫金屬性能明顯增高。”

 

       通常的設想是，將質子交換膜（PEM）燃料電池與氫氣配對使用，以實現多種跨領域應用，包括運輸、固定和備用電源、金屬制造等。這些高效清潔的能源轉換裝置，需要非常活躍的催化劑來進行化學反應——氧還原反應，這是使燃料電池高效運轉的“命脈”。對PEM燃料電池來說，鉑族金屬是效率最高的催化劑材料，但其成本約占燃料電池成本的一半。因此，科學家們正在研究鐵等過渡金屬，作為鉑的潛在替代品。但他們發現，在酸性PEM燃料電池環境中，這些金屬會迅速降解。

 

       鈷是一種過渡金屬，相對于鉑來說，價格便宜且儲量豐富。先前研究表明，鈷的活性遠低于鐵基催化劑。該項研究負責人、PNNL的材料科學家Yuyan Shao表示：“我們知道摻雜氮和碳的鈷結構是催化劑有效反應的關鍵，活性位點密度對性能至關重要。我們的目標是真正提高鈷基催化劑的反應活性。”

 

       該團隊將鈷基分子固定在沸石咪唑骨架的微孔中，這些微孔能起到保護屏障的作用，降低了鈷原子的遷移率，以免它們聚集在一起。然后，他們利用高溫熱解，將原子轉化為框架內的催化活性位點。在這一結構中，他們發現活性位點的密度顯著增加，進而提高了反應活性。事實上，在迄今報道過的燃料電池的非鐵無鉑族金屬催化劑中，這是活性最高的。

 

       研究團隊還發現，比起用同樣方法合成的鐵基催化劑，鈷基催化劑要耐用得多。他們首次發現，在脫金屬反應過程中存在顯著差異。該類反應是指金屬離子從催化劑中被濾出，然后催化劑失去活性。他們還發現，燃料電池中氧還原反應的副產物（過氧化氫）中的氧自由基會攻擊催化劑，導致性能下降。Yuyan Shao表示：“最終，我們不僅提高了鈷基催化劑的活性，而且使耐久性顯著提升。經過進一步研究，我們發現了通常使這些類型催化劑降解的機理。”