研究人員提出硒錨定方法 有效提升燃料電池鉑催化劑耐久性

在燃料電池核心技術(shù)中，鉑一直被用作促進(jìn)氧化還原反應(yīng)的催化劑。但是，這種金屬價(jià)格昂貴，對(duì)燃料電池與更廉價(jià)的汽車(chē)和家用能源的競(jìng)爭(zhēng)，造成一定障礙。據(jù)外媒報(bào)道，佐治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新型鉑基催化系統(tǒng)，比傳統(tǒng)商用系統(tǒng)更耐用，使用壽命更長(zhǎng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可以降低燃料電池生產(chǎn)成本。

研究人員提出新方法，解決導(dǎo)致鉑催化劑降解的重要問(wèn)題，那就是熔結(jié)現(xiàn)象。在熔結(jié)過(guò)程中，鉑顆粒集合成群，減少鉑的比表面積，導(dǎo)致催化劑活性下降。 為了減少這種現(xiàn)象的發(fā)生，研究人員開(kāi)發(fā)一種錨定鉑顆粒的方法，利用硒元素將鉑顆粒固定至碳載體材料。 Zhengming Cao表示“有幾種緩解熔結(jié)現(xiàn)象的方法，比如使用大小一致的鉑顆粒，減少化學(xué)不穩(wěn)定性。新方法采用硒這種物質(zhì)，促使鉑和碳載體材料之間發(fā)生金屬載體強(qiáng)相互作用，明顯提高電池耐久性。同時(shí)，可以使用更加細(xì)小的鉑顆粒，增加表比面積，提高催化劑活性?！?/p>

在該工藝過(guò)程中，首先將硒納米球置于商用碳載體材料表面，然后，硒會(huì)在高溫下熔解，并均勻地覆蓋在碳表面。接著，硒與鉑的鹽前體反應(yīng)，生成直徑小于2納米的鉑顆粒，再次均勻覆蓋碳表面。硒和鉑之間通過(guò)共價(jià)相互作用，形成緊密的連接，將鉑顆粒固定在碳上。佐治亞理工大學(xué)Younan Xia教授表示“由此所產(chǎn)生的催化系統(tǒng)具有非常高的活性和耐久性。”

因?yàn)殂K納米顆粒的表比面積增加，新催化系統(tǒng)的初始催化活性，要比當(dāng)前最先進(jìn)的商用鉑碳催化劑的原始價(jià)值高三倍半。接著，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)加速耐久性試驗(yàn)，測(cè)試催化系統(tǒng)。即便經(jīng)過(guò)20000次電位掃描循環(huán)，新系統(tǒng)的催化活性，仍然是商用系統(tǒng)的三倍多。

在不同階段的耐久性試驗(yàn)中，研究人員使用投射電子顯微鏡，來(lái)檢測(cè)催化劑保持高活性的原因。他們發(fā)現(xiàn)，硒錨定方法非常有效，可以讓大部分鉑顆粒持守位置。Cao表示“經(jīng)過(guò)20000次循環(huán)，大多數(shù)粒子保留在碳載體上，沒(méi)有出現(xiàn)脫離或積聚。我們相信，這種催化系統(tǒng)具有很大的潛力，可以有效提升鉑催化劑的耐久性和活性，擴(kuò)大燃料電池應(yīng)用范圍。”