喬治亞理工與中國(guó)、沙特合作研發(fā)燃料電池多相催化劑

據(jù)外媒報(bào)道，喬治亞理工學(xué)院的研究人員與中國(guó)、沙特阿拉伯的同行們共同研發(fā)了一款多相催化劑（multi－phase catalyst），該產(chǎn)品符合理性設(shè)計(jì)（rationally designed）的要求，可大幅提升最新款固體氧化物燃料電池陰極（solid oxide fuel cell cathode）的氧還原動(dòng)力學(xué)（kinetics of oxygen reduction）。

該款催化劑適用于其他儲(chǔ)能及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括：金屬空氣電池、超級(jí)電容、電解器（electrolyzers）、染色敏化的太陽能電池（dye－sensitized solar cells）及光觸媒（photocatalysis）。

該款催化劑可被用作為涂層，厚度僅為24納米，內(nèi)含兩款互聯(lián)納米技術(shù)方案。

首先，其納米顆粒物極易吸引氧原子，從而捕獲氧分子，使流入電子（inflowing electrons）能快速與之發(fā)生反應(yīng)，從而減少楊分子，并將其分拆分為兩個(gè)單獨(dú)的氧離子（均為O2－）。然后，所謂的氧空位（oxygen vacancies）將形成于納米顆粒物結(jié)構(gòu)內(nèi)，并吸附陽離子，使后者進(jìn)入催化劑的第二相（second phase）。

第二相是一款涂層，其富含氧空位，可使陽離子能快速穿過該涂層并抵達(dá)其最終位置。

氧離子能快速穿過并進(jìn)入燃料電池后，離子化氫（ionized hydrogen）或另一款給電子體（electron donor）（如甲烷或天然氣）將與陽離子發(fā)生反應(yīng)，然后生成水，最后從燃料電池內(nèi)流出。若氧離子與甲烷發(fā)生反應(yīng)，則會(huì)排出純二氧化碳，該氣體可被捕獲并經(jīng)循環(huán)再利用，重新回到燃料電池內(nèi)。

在第一階段，有兩種不同類型的納米顆粒物在活動(dòng)（at work）。兩種納米顆粒物均含有鈷（cobalt），這兩類顆粒物還分別含有鋇（barium）及鐠（praseodymium）元素。

若欲使當(dāng)前的燃料電池在高工況溫度（High operating temperatures）下使用，該燃料電池就需內(nèi)含價(jià)格高昂的防護(hù)涂層及冷卻材料。然而，研究人員認(rèn)為，該款催化劑或有助于降低電池的工況溫度，主要得益于該催化劑能降低當(dāng)前燃料電池化學(xué)物質(zhì)的固有電阻（electrical resistance inherent），或許能借此降低其材料的總成本。

該催化劑在第二階段呈現(xiàn)晶格狀（lattice），其內(nèi)含鋇、鐠、鈣及鈷（PBCC）元素。除催化功能外，PBCC涂層還能防止電池的陰極出現(xiàn)降解，從而縮短電池或類似設(shè)備的使用壽命。

最為關(guān)鍵的陰極材料包含鑭（lanthanum）、鍶（strontium）、鈷、鐵（鑭鍶鈷鐵，LSCF）等金屬，上述材質(zhì)已成為業(yè)內(nèi)標(biāo)配材料。

LSCF的制造體系已相當(dāng)完善，若為該類產(chǎn)品添加新款催化劑，或許能實(shí)現(xiàn)上述功能。研究人員還考慮采用全新的催化劑材料，目前正致力于研發(fā)另一款催化劑，旨在推動(dòng)燃料電池陽極的氧化反應(yīng)。

作者：李文龍