科學家開發新型燃料電池催化劑 性能和耐久遠超美國能源部2020年目標
時間:2018-10-19 13:52來源:前瞻網 作者:綜合報道
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阻礙環保氫燃料電池廣泛應用于汽車、卡車和其他車輛的一個因素是鉑催化劑的成本。
使用不太貴重的鉑的一種方法是將其與其他較便宜的金屬結合使用，但這些合金催化劑在燃料電池條件下往往會迅速降解。
現在，布朗大學的研究人員已經開發出一種新型合金催化劑，既能減少鉑的使用，又能在燃料電池測試中保持良好的性能。
據《焦耳》雜志報道，這種催化劑由鉑合金和納米顆粒中的鈷制成，在反應性和耐久性方面都超過了美國能源部(DOE) 2020年的目標。
“合金催化劑的耐久性是該領域的一個大問題，”布朗大學化學研究生Junrui Li說。
“研究表明，合金最初的性能比純鉑要好，但在燃料電池中，催化劑的非貴金屬部分會很快被氧化和過濾掉。”
為了解決這個浸出問題，Li和他的同事開發了一種特殊結構的合金納米顆粒。
這些粒子有一個純鉑外殼，圍繞著一個由鉑和鈷原子交替層構成的核心。
布朗大學(Brown)化學教授、該研究的資深作者Shouheng Sun表示，這種分層的核心結構是催化劑反應性和耐久性的關鍵。
“內核中原子的分層排列有助于平滑和收緊外殼中的鉑晶格，”Sun說。
“這增加了鉑的反應性，同時也防止了鈷原子在反應過程中被吃掉。這就是為什么在金屬原子隨機排列的情況下，這些粒子比合金粒子表現得更好。”
關于有序結構如何增強催化劑活性的細節在焦耳論文中有簡要描述，但更具體地說，在發表在《化學物理雜志》上的另一篇計算機建模論文中。
這項建模工作由安德魯·彼得森(Andrew Peterson)領導，他是布朗工程學院的副教授，也是焦耳論文的合著者。
為了進行實驗工作，研究人員測試了催化劑的能力來執行氧還原反應，這對燃料電池性能和耐久性是至關重要的。
在質子交換膜(PEM)燃料電池的一側， 從氫燃料中剝離出來的電子會產生驅動電動機的電流。在電池的另一端，氧原子吸收這些電子來完成一個循環。
這是通過氧還原反應完成的。
初步測試表明，該催化劑在實驗室環境下表現良好，優于更傳統的鉑合金催化劑。
新催化劑在3萬次電壓循環后仍然保持活性，而傳統催化劑的性能明顯下降。
但是，盡管實驗室測試對于評估催化劑的性能很重要，研究人員說，它們并不一定能顯示催化劑在實際燃料電池中的性能。
與實驗室測試環境相比，燃料電池環境溫度更高，酸度也不同，這將加速催化劑的降解。
為了弄清楚這種催化劑在這種環境下能維持多久，研究人員將這種催化劑送到洛斯阿拉莫斯國家實驗室，在一個實際的燃料電池中進行測試。
測試表明，該催化劑在初始活性和長期耐久性方面都優于美國能源部(DOE)設定的目標。
美國能源部要求研究人員開發催化劑，到2020年，其初始活性為每毫克鉑0.44安培，在3萬次電壓循環(大致相當于燃料電池汽車使用5年)后，其活性至少為每毫克鉑0.26安培。
對新催化劑的測試表明，它的初始活性為每毫克0.56安培，在3萬次循環后的活性為每毫克0.45安培。
“即使經過了30000個循環，我們的催化劑仍然超出了能源部最初的活性目標，”Sun說。
“在真實的燃料電池環境中，這種性能真的很有前途。”
研究人員已經申請了催化劑的臨時專利，他們希望繼續開發和完善它。
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