阻礙環(huán)保氫燃料電池廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、卡車(chē)和其他車(chē)輛的一個(gè)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(huì)迅速降解。
現(xiàn)在，布朗大學(xué)的研究人員已經(jīng)開(kāi)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(cè)試中保持良好的性能。
據(jù)《焦耳》雜志報(bào)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(guò)了美國(guó)能源部(DOE) 2020年的目標(biāo)。
“合金催化劑的耐久性是該領(lǐng)域的一個(gè)大問(wèn)題，”布朗大學(xué)化學(xué)研究生Junrui Li說(shuō)。
“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(huì)很快被氧化和過(guò)濾掉。”
為了解決這個(gè)浸出問(wèn)題，Li和他的同事開(kāi)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(gè)純鉑外殼，圍繞著一個(gè)由鉑和鈷原子交替層構(gòu)成的核心。
布朗大學(xué)(Brown)化學(xué)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(shuō)。
“這增加了鉑的反應(yīng)性，同時(shí)也防止了鈷原子在反應(yīng)過(guò)程中被吃掉。這就是為什么在金屬原子隨機(jī)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(qiáng)催化劑活性的細(xì)節(jié)在焦耳論文中有簡(jiǎn)要描述，但更具體地說(shuō)，在發(fā)表在《化學(xué)物理雜志》上的另一篇計(jì)算機(jī)建模論文中。
這項(xiàng)建模工作由安德魯·彼得森(Andrew Peterson)領(lǐng)導(dǎo)，他是布朗工程學(xué)院的副教授，也是焦耳論文的合著者。
為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作，研究人員測(cè)試了催化劑的能力來(lái)執(zhí)行氧還原反應(yīng)，這對(duì)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(lái)的電子會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流。在電池的另一端，氧原子吸收這些電子來(lái)完成一個(gè)循環(huán)。
這是通過(guò)氧還原反應(yīng)完成的。
初步測(cè)試表明，該催化劑在實(shí)驗(yàn)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(wàn)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(shí)驗(yàn)室測(cè)試對(duì)于評(píng)估催化劑的性能很重要，研究人員說(shuō)，它們并不一定能顯示催化劑在實(shí)際燃料電池中的性能。
與實(shí)驗(yàn)室測(cè)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室，在一個(gè)實(shí)際的燃料電池中進(jìn)行測(cè)試。
測(cè)試表明，該催化劑在初始活性和長(zhǎng)期耐久性方面都優(yōu)于美國(guó)能源部(DOE)設(shè)定的目標(biāo)。
美國(guó)能源部要求研究人員開(kāi)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(wàn)次電壓循環(huán)(大致相當(dāng)于燃料電池汽車(chē)使用5年)后，其活性至少為每毫克鉑0.26安培。
對(duì)新催化劑的測(cè)試表明，它的初始活性為每毫克0.56安培，在3萬(wàn)次循環(huán)后的活性為每毫克0.45安培。
“即使經(jīng)過(guò)了30000個(gè)循環(huán)，我們的催化劑仍然超出了能源部最初的活性目標(biāo)，”Sun說(shuō)。
“在真實(shí)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(qǐng)了催化劑的臨時(shí)專(zhuān)利，他們希望繼續(xù)開(kāi)發(fā)和完善它。
