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研究人員設(shè)計高活性無PGM鈷基催化劑 可用于燃料電池

時間:2020-12-20 16:24來源:蓋世汽車 作者:Elisha
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(圖片來源:greencarcongress)
 
       據(jù)外媒報道,由太平洋西北國家實驗室(PNNL)材料科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的多機構(gòu)研究團(tuán)隊開發(fā)出一種耐用的高活性催化劑,不需依賴昂貴的鉑族金屬(PGM),即可對必要的化學(xué)反應(yīng)起到催化作用。
 
       這種新催化劑中含有摻雜氮和碳的鈷。與由鐵制成的類似結(jié)構(gòu)的催化劑(經(jīng)過充分研究發(fā)現(xiàn)的另一種有前景鉑替代品)相比,研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn),鈷催化劑可以達(dá)到類似效果,但耐久性是其四倍。
 
       研究人員表示:“在1.0bar H2/O2燃料電池中,Co-N-C催化劑在0.9V阻抗補償(0.9 ViR-free)下的電流密度為0.022 A cm−2,峰值功率密度為0 64W cm−2,高于文獻(xiàn)報道的非鐵無鉑族金屬催化劑。重要的是,我們確定了M(金屬)-N-C催化劑的兩種主要降解機理:自由基氧化和活性中心脫金屬。與Fe-N-C相比,Co-N-C的耐久性提高,這要歸因于Co離子在芬頓反應(yīng)中的活性較低,該反應(yīng)從主要的氧還原反應(yīng)副產(chǎn)物H2O2中產(chǎn)生自由基,并且Co-N-C的抗脫金屬性能明顯增高。”
 
       通常的設(shè)想是,將質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池與氫氣配對使用,以實現(xiàn)多種跨領(lǐng)域應(yīng)用,包括運輸、固定和備用電源、金屬制造等。這些高效清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置,需要非�;钴S的催化劑來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)——氧還原反應(yīng),這是使燃料電池高效運轉(zhuǎn)的“命脈”。對PEM燃料電池來說,鉑族金屬是效率最高的催化劑材料,但其成本約占燃料電池成本的一半。因此,科學(xué)家們正在研究鐵等過渡金屬,作為鉑的潛在替代品。但他們發(fā)現(xiàn),在酸性PEM燃料電池環(huán)境中,這些金屬會迅速降解。
 
       鈷是一種過渡金屬,相對于鉑來說,價格便宜且儲量豐富。先前研究表明,鈷的活性遠(yuǎn)低于鐵基催化劑。該項研究負(fù)責(zé)人、PNNL的材料科學(xué)家Yuyan Shao表示:“我們知道摻雜氮和碳的鈷結(jié)構(gòu)是催化劑有效反應(yīng)的關(guān)鍵,活性位點密度對性能至關(guān)重要。我們的目標(biāo)是真正提高鈷基催化劑的反應(yīng)活性。”
 
       該團(tuán)隊將鈷基分子固定在沸石咪唑骨架的微孔中,這些微孔能起到保護(hù)屏障的作用,降低了鈷原子的遷移率,以免它們聚集在一起。然后,他們利用高溫?zé)峤�,將原子轉(zhuǎn)化為框架內(nèi)的催化活性位點。在這一結(jié)構(gòu)中,他們發(fā)現(xiàn)活性位點的密度顯著增加,進(jìn)而提高了反應(yīng)活性。事實上,在迄今報道過的燃料電池的非鐵無鉑族金屬催化劑中,這是活性最高的。
 
       研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn),比起用同樣方法合成的鐵基催化劑,鈷基催化劑要耐用得多。他們首次發(fā)現(xiàn),在脫金屬反應(yīng)過程中存在顯著差異。該類反應(yīng)是指金屬離子從催化劑中被濾出,然后催化劑失去活性。他們還發(fā)現(xiàn),燃料電池中氧還原反應(yīng)的副產(chǎn)物(過氧化氫)中的氧自由基會攻擊催化劑,導(dǎo)致性能下降。Yuyan Shao表示:“最終,我們不僅提高了鈷基催化劑的活性,而且使耐久性顯著提升。經(jīng)過進(jìn)一步研究,我們發(fā)現(xiàn)了通常使這些類型催化劑降解的機理。”
 
(責(zé)任編輯:子蕊)
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