研究人員利用鉑與稀土元素開發合金催化劑 可以降低燃料電池的成本

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核心提示:要降低燃料電池的成本,關鍵在于找到更好的催化劑。

蓋世汽車訊 據外媒報道,《納米研究》(Nano Research)雜志上發表上一篇論文顯示,研究人員設計了一種方法,將高成本的鉑和低成本的稀土元素鑭結合為合金,用作下一代燃料電池的催化劑。這將有助于提高電池性能并降低成本,使重型運輸車輛(不太適合使用電池)更容易脫碳。

燃料電池可以將氫的化學能轉化為電能,為車輛和其他機器提供動力,所產生的副產物只有水和熱量。要提高相關電化學反應的效率,從而降低燃料電池的成本,使其比使用化石燃料更具競爭力,關鍵在于找到更好的催化劑,即加速這些反應的材料。

在所有可能促成關鍵化學反應(氧還原反應或ORR)的“電催化劑”中,鉑是迄今為止最好的。然而,鉑是一種成本較高的稀有金屬,使其在燃料電池(尤其是質子交換膜燃料電池)中的應用受到影響。更為嚴重的是,在具有高度腐蝕性的PEMFC環境中,這種電催化劑經過較少的循環次數就會迅速降解。

這篇論文的作者之一、中國科學院長春應用化學研究所的電化學家朱思遠表示:“研究人員致力于尋找一種低成本、更耐降解的電催化劑,以在更長的時間內保持穩定,提供卓越的電流密度?!?/p>

為了降低電催化劑成本,研究人員主要考慮將鉑與其他成本更低的金屬合金化,以減少鉑的使用量,同時協助甚至提高鉑的催化性能。到目前為止,與鉑合金化的主要選項是后過渡金屬(late transition metal),即在元素周期表中位于過渡金屬(其左)和準金屬(其右側)之間的金屬。然而,在惡劣、腐蝕性的PEMFC環境中,已證明后過渡金屬也會溶解。這不僅導致電池性能持續下降,而且溶解的金屬會進一步與氧還原反應的副產物發生反應,對整個系統造成不可控的損害。

使用前期過渡金屬(early transition metal,元素周期表中第3副族至第7副族中的所有過渡金屬元素,包括鑭系和錒系元素),如釔和鈧,則要穩定得多。理論計算表明,到目前為止,鉑和這兩種前期過渡金屬形成的合金是最穩定的。

在前期過渡金屬中,稀土元素一直未得到足夠重視。實際上,稀土元素在地殼中很常見,對提升催化劑的電化學活性非常有利。因此,使用稀土元素與鉑構成合金,問題不在于成本,而是其在酸性介質中的導電性和溶解度較差。

研究人員為此設計了一種方法,利用鉑和稀土元素鑭來制備合金。這項技術只需兩步即可完成。首先,研究人員獲得現成的鑭鹽和苯三甲酸(trimesic acid),使這兩種前體材料自我組裝成納米“棒”。然后,在900°C下用鉑來浸漬這些納米棒。高溫可以確保這兩種金屬順利完成合金化過程。

研究人員在燃料電池中進行壓力測試,以驗證所生成的鉑-鑭納米顆粒的性能。結果顯示,這種合金電催化劑超出預期值,即使經過3萬次燃料電池循環后,仍具有優異的穩定性和活性。

研究人員希望,以后嘗試使用其他稀土元素與鉑構成合金,并測試其是否能超過鑭的電催化性能。

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