科學家開發(fā)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

阻礙環(huán)保氫燃料電池廣泛應(yīng)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(jié)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(xiàn)在，布朗大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)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(jù)《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(yīng)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(lǐng)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(fā)了一種特殊結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)是催化劑反應(yīng)性和耐久性的關(guān)鍵。

“內(nèi)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(yīng)性，同時也防止了鈷原子在反應(yīng)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(xiàn)得更好。”

關(guān)于有序結(jié)構(gòu)如何增強催化劑活性的細節(jié)在焦耳論文中有簡要描述，但更具體地說，在發(fā)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(lǐng)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(zhí)行氧還原反應(yīng),這對燃料電池性能和耐久性是至關(guān)重要的。

在質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池的一側(cè), 從氫燃料中剝離出來的電子會產(chǎn)生驅(qū)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(huán)。

這是通過氧還原反應(yīng)完成的。

初步測試表明，該催化劑在實驗室環(huán)境下表現(xiàn)良好，優(yōu)于更傳統(tǒng)的鉑合金催化劑。

新催化劑在3萬次電壓循環(huán)后仍然保持活性，而傳統(tǒng)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(huán)境相比，燃料電池環(huán)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(huán)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(yōu)于美國能源部(DOE)設(shè)定的目標。

美國能源部要求研究人員開發(fā)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(huán)(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(huán)后的活性為每毫克0.45安培。

“即使經(jīng)過了30000個循環(huán)，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(huán)境中，這種性能真的很有前途。”

研究人員已經(jīng)申請了催化劑的臨時專利，他們希望繼續(xù)開發(fā)和完善它。