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      納米鉑金合金可能取代納米鉑金用在氫氣燃料電池上
      編輯:尚蒙科技無錫有限公司   時間:2018-11-07


             阻礙在汽車,卡車和其他車輛中廣泛使用環保型氫燃料電池的一個因素是使電池工作的鉑催化劑的成本。使用較少貴金屬的一種方法是將其與其他更便宜的金屬結合,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開發出一種新型合金,既能減少使用,又能在測試中保持良好狀態。根據Joule期刊所述的測試結果顯示,在納米粒子中合金化鉑與鈷合金制成的催化劑在反應性和耐久性方面均超過了美國能源部(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,”Brown的化學研究生,該研究的第一作者,Junrui Li說。“事實證明,合金最初的性能優于純鉑,但在這種情況下,在電池內部,催化劑的非貴金屬部分會被氧化并迅速浸出。”

              為了解決這一浸出問題,Li和他的同事開發了具有特殊結構的合金納米粒子。顆粒具有純鉑外殼,其圍繞由交替的鉑和鈷原子層制成的核心。布朗化學教授,該研究的高級作者Shouheng Sun表示,這種分層核心結構是催化劑反應性和耐久性的關鍵。

               “核心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,同時保護鈷原子不會在反應過程中被吃掉。這就是為什么這些顆粒比隨機排列的金屬原子的合金顆粒表現得更好。”

              關于有序結構如何增強催化劑活性的細節在Joule論文中簡要描述,但更具體地在發表在Journal of Chemical Physics上的單獨的計算機建模論文中描述。建模工作由布朗工程學院副教授Andrew Peterson領導,他也是Joule論文的合著者。


             對于實驗工作,研究人員測試了催化劑進行,這對燃料電池的性能和耐久性至關重要。在質子交換膜(PEM)燃料電池的一側,從氫燃料中剝離的電子產生驅動電動機的電流。在電池的另一側,氧原子吸收這些電子以完成電路。這是通過氧還原反應完成的。

               初步測試表明,催化劑在實驗室環境中表現良好,優于更傳統的鉑合金催化劑。該保持其活性在30,000電壓周期,而傳統催化劑的性能下車顯著。

               但研究人員表示,雖然實驗室測試對于評估催化劑的性質非常重要,但它們并不一定能顯示催化劑在實際燃料電池中的表現。與實驗室測試環境相比,燃料電池環境更熱并且酸度不同,這可以加速催化劑降解。為了找出催化劑在該環境中的穩定性,研究人員將催化劑送到洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行實際燃料電池測試。

               測試表明,該催化劑擊敗了能源部(DOE)為初始活動和長期耐久性設定的目標。美國能源部已經要求研究人員開發催化劑,到2020年初始活性為每毫克鉑0.44安培,30,000次電壓循環后活性至少為0.26安培/毫克(大約相當于燃料電池汽車使用5年)。新催化劑的測試表明,它具有0.56安培/毫克的初始活性和30,000循環0.45安培后的活性。

              “即使經過30,000次循環,我們的催化劑仍然超過了DOE的初始活動目標,”Sun說。“在現實世界的燃料電池環境中,這種表現真的很有希望。”

               研究人員申請了關于催化劑的臨時專利,他們希望繼續開發和改進催化劑。

       進一步探索: 高效的單原子催化劑可以幫助汽車工業

      更多信息: Joule(2018)。DOI:10.1016 / j.joule.2018.09.016



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