以提高燃料电池的成本效益 同时保持氢燃料电池的高效率

氢燃料电池中使用的铂催化剂成本很高,限制了其在电动汽车汽车中的商业化。因此,科学家们正在研究替代性催化剂,以提高燃料电池的成本效益,同时保持氢燃料电池的高效率。

由于氢燃料电池加氢速度快、能量密度高,而且不会产生有害的排放或副产品,越来越多的研究人员将其作为车辆和其他应用的替代能源。

据外媒报道,美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)最近研发了一款不使用铂的燃料电池催化剂,是一种可以加速重要燃料电池反应的化学物质。该项研究对让此类催化剂更高效的机制有了更好的见解,有助于生产出更高效、更具成本效益的催化剂。

目前商用氢燃料电池都需要依赖氧化还原反应(ORR),该反应会将氧分子分解成氧离子,并与质子结合形成水。此类反应是整个燃料电池工艺的一部分,能够将空气中的氢和氧转化为水和电。ORR反应相对缓慢,限制了燃料电池的效率,而且需要大量的铂催化剂。

研究人员表示:“目前,氧化还原反应由铂合金催化剂促进,而铂合金催化剂是燃料电池电极中最昂贵的部分。如果要大范围实现燃料电池汽车的可持续商业化,就需要大幅减少铂的使用量,或者利用铁等地球上储量丰富且廉价的材料制成催化剂,以取代铂催化剂。”

ORR反应中最有前景的无铂催化剂是以铁、氮和碳为基础制成的催化剂。为制造出此种催化剂,科学家们将含有此三种元素的前体混合在一起,并在900至1100摄氏度的高温中对其加热,称为“热解”。

热解之后,该材料中的铁原子会与四个氮原子结合,嵌入至单原子厚碳层-石墨烯中。每个铁原子构成一个活性位点,或是ORR反应可能会发生的位点。该材料中的活性位点密度越大,电极的效率就越高。

研究人员在阿贡国家实验室先进光子源(APS)的材料分析协作访问团队(MR-CAT)进行了现场X射线吸收光谱研究,以揭示在热解过程中,该材料的原子行为。研究人员让X射线穿过铁、氮和碳前体,观察哪些元素会以化学方式相结合,以及如何结合。

科学家们发现,在铁、氮和碳前体混合物的热解过程中,首先会形成氮-石墨烯位点,然后气态铁原子会插入此类位点。他们还发现,通过利用掺杂工艺,首先将氮插入碳中,然后在热解过程中将铁引入该系统,而不是将此三种成分一起加热,就可以在催化剂中产生密度更高的活性位点。

在此过程中,科学家们将掺杂了氮的碳放入熔炉中,气态铁原子插入四个氮原子中心位的空位上,形成活性位点。此种方法避免了铁原子在碳块中聚集和掩埋,增加了石墨烯表面活性位点的数量。

此次研究为科学家们提供了一种提高材料活性位点密度的途径,该小组将继续研发活性更强、更稳定的无铂催化剂,以用于氢燃料电池。