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美國科研人員開發(fā)納米催化劑 大幅降低燃料電池成本

日期:2024-10-16 09:29:09 作者:宏力精密鋼管 閱讀數(shù):594

氫燃料電池汽車推廣的最大阻力在于金屬鉑的高昂價格和稀有產(chǎn)量。這種昂貴金屬對于燃料電池陰極處的氧化還原反應(yīng)的進行尤其重要。在陰極,從聚合物膜透過來的質(zhì)子、空氣中的氧原子、由導(dǎo)線傳來的電子,三者結(jié)合,形成產(chǎn)物——水。

美國科研人員開發(fā)納米催化劑 大幅降低燃料電池成本(一)

最近,一組來自LBNL美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室、ANL阿貢國家實驗室的化學(xué)家和材料學(xué)家組成的隊伍開發(fā)出了創(chuàng)新的三維“納米框架”催化劑,它在催化陽極氧化反應(yīng)方面的性能超過了常規(guī)的鉑-碳微粒催化劑,史無前例,甚至大大超過了美國能源部對該技術(shù)預(yù)計的在2017年可能達到技術(shù)水平。

美國科研人員開發(fā)納米催化劑 大幅降低燃料電池成本(二)

這種雙金屬催化劑由鉑和鎳組成,具有中空、高活性、內(nèi)外表面尺寸大的特點,使得它的效率和成本都大大優(yōu)于目前的催化劑產(chǎn)品。

美國科研人員開發(fā)納米催化劑 大幅降低燃料電池成本(三)

這種催化劑也可在堿性水解槽中工作,將水分裂為氧和氫。根據(jù)耗電量高低,未來它還可能作為氫氣的制備裝置。堿性水解槽里面有兩個用膜分離開的電極,這兩個電極浸沒在成分為氫氧化鉀的堿性電解液中。研究者對比測試了新型催化劑和傳統(tǒng)鉑-碳催化劑在其中的性能后發(fā)現(xiàn),新的催化劑的性能提高了一個數(shù)量級。

最近幾年,全世界的研究主要集中在通過合金,將鉑同其他更為廉價的金屬結(jié)合形成合金,在降低催化劑價格的前提下,保持性能不降低。另一個改進方法是開發(fā)中空、籠形、多孔材料,以便在其中加入更少量的貴金屬催化劑。領(lǐng)導(dǎo)該項目的來自LBNL實驗室的化學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校教授Peidong Yang說,這種非常規(guī)的幾何體結(jié)構(gòu)使得定量地改進物理、化學(xué)性能變得更加方便。

新的雙金屬納米“籠子”

Peidong Yang說:“我們在十年前就開始研究納米微粒催化劑的溶解過程。最開始我們主要關(guān)注像鉑等單一元素,分析尺寸和形狀對催化劑性能的影響。但是隨著研究的展開,我們更為關(guān)注雙金屬催化劑,如鉑-鎳、鉑-銅等。三四年前,我的兩個博士后在將鉑-鎳樣本放入溶劑時觀察到了意想不到的現(xiàn)象:他們發(fā)現(xiàn)該雙金屬納米微粒樣本在兩周后逐漸形成了新的形態(tài)。這對于我們是個意外的收獲,但是隨著我們觀察到三維納米框架結(jié)構(gòu)的表面滿滿地覆蓋著催化位點時,我們確定發(fā)現(xiàn)了一些有價值的事情?!?/p>

伯克利的研究者隨后翻閱了現(xiàn)有的文獻,發(fā)現(xiàn)有ANL實驗室的化學(xué)家Vojislav Stamenkovic已經(jīng)做了相當(dāng)多的關(guān)于大容量單晶體催化劑基體的研究。基于Vojislav的研究,可以斷定雙金屬材料也會是很有希望的電化學(xué)催化劑。

中空結(jié)構(gòu)

研究發(fā)現(xiàn),在溶液中的起始材料——固態(tài)晶體PtNi3多面體會轉(zhuǎn)變?yōu)镻tNi中間物質(zhì),然后通過內(nèi)部腐蝕,轉(zhuǎn)變?yōu)镻t3Ni納米框架,氧原子可以從中間通過。PtNi3多面體的棱邊由高濃度鉑組成,它在后來的Pt3Ni納米框架中也得到保留。最初的多面體由三個鎳原子和一個鉑原子構(gòu)成,最終的納米框架則正好相反。

Stamenkovic說:“多面體是一種常見的納米結(jié)構(gòu)類型,多年以來一直用于催化劑研究。但是我們的研究展示了其他解決方法的可能性。通過框架結(jié)構(gòu),我們完全將結(jié)構(gòu)完全對外打開,并且除掉了材料內(nèi)部被埋沒的那些只占有體積、卻沒有功能的原子們。最后仍然剩下了數(shù)量相當(dāng)可觀的催化位點,它們位于框架表面的各處,可以從多個方向接近。”

溶有氧氣的溶劑會引起多面體內(nèi)部的溶解效應(yīng),最終形成了中空十二面體的納米框架結(jié)構(gòu)。通過升高反應(yīng)溫度,反應(yīng)時間從兩周縮短到12小時。

完成了基本原料的制備后,研究人員希望驗證該材料在燃料電池組內(nèi)部電化學(xué)的嚴(yán)苛環(huán)境下的穩(wěn)定性,所以他們在納米框架的鉑原子外包裹了一層“保護層”,提升其耐久性。通過在氬氣中進行退火熱處理,納米框架的表面產(chǎn)生了一層由鉑組成的“保護層”。

Yang說:“我們猜測是氧原子將納米鎳微粒帶到了框架上,氬氣的退火作用將鉑帶到了表面上。”

超高活性催化劑

Pt3Ni框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面均由納米鉑結(jié)構(gòu)組成,它提升了氧化還原反應(yīng)活性。相比最好的鉑-碳催化劑,納米框架催化劑的質(zhì)量活力和比活力分別提高了36倍和22倍。新材料目前還沒投入實際的燃料電池組進行測試。

Yang說:“相比其他的人工合成中空納米結(jié)構(gòu)的嘗試,我們的做法不需要通電、不需要使用過強的氧化劑,只需在空氣中自發(fā)進行。鉑-鎳納米框架的開放結(jié)構(gòu)滿足了先進納米點催化劑設(shè)計中的一些法則,如高面容比、好的三維接近性、更少的貴金屬用量等?!?/p>

這種新型催化劑大幅減小了鉑的用量,下一代的低價格、高性能尾氣催化器很有可能從中開發(fā)出來。

該催化材料的人工合成過程可以比較容易地實現(xiàn)放大,滿足以克為單位的實際應(yīng)用場合。重要的是,該方法可以繼續(xù)推廣到另外的合金納米框架的合成中,如鉑-鈷合金、鉑-銅合金、鉑-錸-鎳合金和鉑-鉛-鎳合金。

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