通過(guò)使用加拿大光源中心(CLS)的同步加速器,研究人員發(fā)現(xiàn),將昂貴的鉑金屬分解成納米粒子(甚或是單個(gè)原子)可制造出更低成本的燃料電池。
在麥克馬斯特大學(xué)、CLS同步加速器、巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司的通力合作下,研究人員開(kāi)發(fā)出一種利用原子層沉積的新方法。這種表面科學(xué)技術(shù)可用于對(duì)化合物進(jìn)行沉積,創(chuàng)建單原子催化劑。
通常用作催化劑的鉑金屬是非常昂貴的,但其只有表面的原子可起作用。該技術(shù)已基本可以將鉑分解成“盡可能小”的部分,從而使其表面積得到最大化。
■蔣慶來(lái)
低溫燃料電池,如質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池,由于具有環(huán)境友好、快速啟動(dòng)、無(wú)電解液流失、壽命長(zhǎng)、功率密度和能量密度高等優(yōu)點(diǎn),在電動(dòng)汽車動(dòng)力電源、移動(dòng)電源、微型電源及小型發(fā)電裝置等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
燃料電池的陰極氧還原反應(yīng)是燃料電池電催化反應(yīng)的速度控制步驟,燃料電池氧還原催化劑是燃料電池電催化研究的熱點(diǎn)之一。目前,含鉑催化劑是性能最好、使用最廣泛的低溫燃料電池氧還原催化劑,鉑金屬價(jià)格昂貴、資源緊缺制約低溫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程。
鉑催化劑具有比較大的表面積,具有很強(qiáng)的吸附性,通常用作催化劑的鉑金屬只有表面的原子可起作用,表面之下的其他原子不具有作為催化劑的功能,鉑的有效利用率只有10%至20%。通過(guò)減小鉑粒徑,增加鉑的比表面積,可大大提高每個(gè)鉑原子的使用效率。
近年來(lái),由于催化劑和膜電極制備技術(shù)的進(jìn)步,Pt的使用量從10~50 g·m-2降低到了目前的1~10 g·m-2,催化劑中Pt的粒徑從約10 nm降低到現(xiàn)在的1~3 nm。據(jù)《科學(xué)報(bào)告》雜志報(bào)道,在麥克馬斯特大學(xué)、CLS同步加速器、巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司的通力合作下,研究人員開(kāi)發(fā)出一種利用原子層沉積(ALD)的新方法,將昂貴的鉑金屬分解成納米粒子(平均粒徑1~2nm)并負(fù)載在石墨烯上,得到ALD Pt/GNS催化劑。采用該催化劑進(jìn)行甲醇催化氧化,與ETEK公司商品化的Pt/C催化劑相比,在同樣的鉑負(fù)載量情況下,可顯著減小其過(guò)電位,電流密度可達(dá)到其9.5倍,并能夠更好地抑制CO中毒,該技術(shù)將大大提高催化劑中鉑的利用率。
該研究成果提出了設(shè)計(jì)高活性下一代催化劑的新路徑,但距規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用尚有一系列的工程技術(shù)課題需解決。一是此類(亞)納米材料的比表面積非常大,表面活性很高,很容易團(tuán)聚,以至難以加工和使用,且使用壽命難以保障,如何控制使得材料在加工和使用過(guò)程中不團(tuán)聚將是一大課題;二是新催化劑材料可減少鉑的使用,加工成本也不容小視,如何降低催化劑材料的整體成本(包括原材料和加工成本),真正讓燃料電池成本更低是接下來(lái)需要解決的重要課題之一。由此看來(lái),該技術(shù)成果離真正商業(yè)化應(yīng)該還有一定的距離。
在探索含鉑催化劑新的制備方法和改進(jìn)原有的制備方法、探索低Pt催化劑體系的同時(shí),開(kāi)發(fā)低成本、高效的非Pt催化劑體系方面,研究者也進(jìn)行了大量而艱苦的努力,并取得了重要的研究成果。
例如,近期美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家攜手,用碳(部分源于高溫過(guò)程產(chǎn)生的聚苯胺)、廉價(jià)的鐵和鈷研制出了一種新的非鉑基催化劑,將其應(yīng)用于氫燃料電池陰極氧還原。用鐵、鈷等廉價(jià)金屬取代比金更貴重的鉑,能夠從根本上解決催化劑原材料資源稀缺、成本高的問(wèn)題,但與此同時(shí)非鉑催化劑的催化效率還有待提高。
期盼更多的研究成果能夠涌現(xiàn)出來(lái),真正緩解目前低溫燃料電池面臨的成本高的問(wèn)題,推動(dòng)低溫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程。
責(zé)任編輯: 中國(guó)能源網(wǎng)