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在 3 月 21 日發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)的一篇文章中,研究人員介紹了一種不含任何貴金屬的燃料電池。若能順利實現(xiàn)商用,其有望加速高效、清潔的氫燃料電池在汽車和其它領(lǐng)域的廣泛采用。作為參考,當(dāng)前氫燃料電池需要用到昂貴的金屬材料(比如鉑),以有效催化發(fā)電。

 

研究人員用碳涂層鎳陽極取代了氫燃料電池中的貴金屬材料
(圖自:PNAS)
長期以來,康奈爾大學(xué)化學(xué)生物學(xué)系的 Héctor D. Abru?a 教授,一直在實驗室里尋找適用于堿性燃料電池的高活性、低成本、且耐用的催化劑。
而發(fā)表于 PNAS 上的這篇文章,就講述了其中一項新發(fā)現(xiàn)。研究人員表示:
氮摻雜的碳涂層鎳陽極,可用于催化氫燃料電池中的基本反應(yīng),而成本僅占當(dāng)前使用的貴金屬的一小部分。
這項新發(fā)現(xiàn)為氫燃料電池開辟了廣闊的市場前景,有望為新能源汽車和其它應(yīng)用帶來高效、清潔、實惠的新選擇。
需要指出的是,盡管堿性聚合物電解質(zhì)膜燃料電池(簡稱 APEMFC)能夠使用非貴金屬電催化劑,但替代材料的性能和耐久度往往不盡如人意。
研究人員用碳涂層鎳陽極取代了氫燃料電池中的貴金屬材料
教授表示,他們在用高效、清潔的氫燃料電池取代傳統(tǒng)化石燃料方面取得了新進(jìn)展。
據(jù)悉,燃料電池有氫氧化反應(yīng)(HOR)和氧還原反應(yīng)(OOR)兩種發(fā)電方式。此前鉑金催化劑已被普遍用于此類模型,并且通過了 PEM 燃料電池中酸性環(huán)境的耐用性考驗。
而近期對非貴金屬 HOR 電催化劑開展的實驗,需要克服兩個方面的主要挑戰(zhàn):
(1)若氫結(jié)合能過強(qiáng),將導(dǎo)致本征活性變低;
(2)隨著金屬氧化物的快速形成,燃料電池的耐久性會大打折扣。
有鑒于此,研究人員設(shè)計了一種鎳基電催化劑,其外殼由氮摻雜碳制成。
作為陽極催化用的它,由一個被碳?xì)ぐ鼑膶嵭逆嚭私M成,且直徑僅為 2 納米。
當(dāng)與鈷錳陰極配對時,所得到的完全不含貴金屬的氫燃料電池,每平方厘米的輸出功率可超過 200 毫瓦。
Abru?a 解釋稱,鎳電極表面上的氧化鎳物質(zhì)的存在,會顯著拖慢氫的氧化反應(yīng)。而氮摻雜碳保護(hù)涂層的存在,正好可以增強(qiáng) HOR,使得反應(yīng)更快、更高效。
此外鎳電極上的石墨烯涂層,能夠防止氧化鎳的形成,從而極大地延長氫燃料電池的使用壽命,且這些電極對一氧化碳的耐受性也更強(qiáng)(鉑金材料很容易因為吸附一氧化碳而被迅速毒化)。
研究人員用碳涂層鎳陽極取代了氫燃料電池中的貴金屬材料
Abru?a 教授總結(jié)道:“這種新型陽極的使用,可極大降低堿性氫燃料電池的價格,從而推動其在更廣泛的領(lǐng)域中得到應(yīng)用”。
另外,其同事在 2 月發(fā)現(xiàn),氮化鈷催化劑在催化 OOR(氧還原反應(yīng))方面,幾乎與貴金屬鉑一樣有效。
感興趣的朋友,可移步至《PNAS》,以查看《A completely precious metal–free alkaline fuel cell with enhanced performance using a carbon-coated nickel anode》全文。
【補(bǔ)充】《莊林/肖麗課題組燃料電池研究取得新進(jìn)展》【武漢大學(xué)新聞網(wǎng)/ 化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院】
以燃料電池為代表的氫能電化學(xué)技術(shù)是實現(xiàn)碳中和的重要途徑?;瘜W(xué)與分子科學(xué)學(xué)院莊林/肖麗課題組在堿性聚電解質(zhì)燃料電池(APEFC)領(lǐng)域的研究持續(xù)取得突破,關(guān)于氫氧化反應(yīng)(HOR)高性能鎳陽極的研究進(jìn)展近日發(fā)表在 PNAS(《美國國家科學(xué)院院刊》)。
HOR 的催化劑一直以來都依賴貴金屬鉑。堿性體系中金屬鎳具有一定的活性,但表面極易氧化鈍化。
莊林/肖麗團(tuán)隊的碩士研究生高云飛發(fā)現(xiàn)如果在鎳納米催化劑表面包覆薄層氮雜碳,可顯著提高抗氧化性,且促進(jìn)其 HOR 催化活性,尤其當(dāng)使用含 CO 的氫氣時,這種新型鎳電極表現(xiàn)出高于鉑電極的活性和穩(wěn)定性。
隨后,早年畢業(yè)于莊林課題組到美國康奈爾大學(xué)攻讀博士學(xué)位的楊堯采用高分辨電子顯微分析和同步輻射 X 射線光譜對這種鎳表面的特性和催化機(jī)理進(jìn)行了深入剖析。
研究人員用碳涂層鎳陽極取代了氫燃料電池中的貴金屬材料
高云飛以該鎳陽極和錳鈷陰極實現(xiàn)了峰值功率密度超過 200mW/c㎡ 的 APEFC,這是目前使用全非貴金屬催化劑低溫燃料電池的最高性能報道。
近 20 年來,莊林課題組一直致力于基于堿性聚電解質(zhì)的電化學(xué)能量 / 物質(zhì)轉(zhuǎn)化研究,包括燃料電池、水電解和 CO? 電解轉(zhuǎn)化。
目前同時承擔(dān)了科技部重點研發(fā)計劃項目、基金委重大項目和重大研究計劃集成項目。研究進(jìn)展多次發(fā)表在高水平學(xué)術(shù)期刊,關(guān)鍵材料獲自主知識產(chǎn)權(quán)并實現(xiàn)商品化生產(chǎn)。
這是該課題組第二次在 PNAS 發(fā)表 APEFC 研究論文。

 

文章來源:愛集微
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