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德研究人員發現新型催化劑 開啟氫燃料電池的低成本之路

   日期:2019-06-12     來源:汽車材料網    評論:0       [ 進入汽車材料社區 ] [ 汽車材料館 ]
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核心提示:現在由普林斯頓大學生物和化學工程教授布魯斯·科爾(Bruce E. Koel)領導的一個研究小組已經開啟了尋找更便宜的替代品的大門。在4月4日發表在Nature Communications期刊上的一篇論文中,研究人員報告說,一種基于鉿的化合物的工作效率與鉑相關的材料相當,約為60%,但成本約為其五分之一。
   【中國汽車材料網】任何購買珠寶的人都知道,鉑金價格昂貴。因此這也對前景廣闊的電動汽車造成了一個嚴重的阻礙——氫燃料電池,它依賴于鉑金。
  
  現在由普林斯頓大學生物和化學工程教授布魯斯·科爾(Bruce E. Koel)領導的一個研究小組已經開啟了尋找更便宜的替代品的大門。在4月4日發表在Nature Communications期刊上的一篇論文中,研究人員報告說,一種基于鉿的化合物的工作效率與鉑相關的材料相當,約為60%,但成本約為其五分之一。
  
  “我們希望找到一種更豐富、更廉價的催化劑,”HiT Nano公司的首席科學家楊曉芳(音)說。她是普林斯頓大學的客座研究員,與科爾共同參與了這個項目。
  
  燃料電池的工作原理是將儲存在氫原子中的能量直接轉化為電能。美國宇航局長期以來一直使用燃料電池為衛星和其他太空任務提供動力。今天,它們開始被用于電動汽車和公共汽車。
 
  
  氫不僅在這個星球上,而且在已知的宇宙中都是最簡單和最豐富的元素。
  
  在最基本的層面上,燃料電池通過將氫分解成質子和電子兩部分來產生電能。質子通過膜與氧結合形成水。帶負電荷的電子流向燃料電池中帶正電荷的極。這種電子流是燃料電池產生的電流,可以為發動機或其他電子設備提供動力。這種分裂需要鉑等材料來催化反應。
  
  催化劑也用于產生氫氣的反應。氫氣作為燃料電池的燃料,在最理想的、與化石燃料無關的情況下,可再生電能可用于在催化劑存在下分裂水分子(兩個氫原子和一個氧原子)。這個反應把水分解成氧氣和氫氣。催化劑的效率越高,分解水所需的能量就越少。
  
  一些稱為再生燃料電池的先進燃料電池結合了這兩種反應。但目前大多數燃料電池都依賴于由獨立系統產生的氫,并將其作為燃料出售。
  
  目前,兩種反應的最佳催化劑是鉑族金屬。 科爾說,研究人員認為這不會改變,因為“鉑金幾乎是完美的”。 對于鉑族金屬,抽出氫氣的電化學反應快速有效,而且金屬可以經受目前這種反應所需的苛刻酸性條件。
  
  然而,問題在于鉑金既稀有又昂貴。“你真的無法想象用基于鉑的燃料電池取代交通基礎設施,”科爾說。“在這種規模下使用太稀有、太昂貴了。”
  
  對于這樣的應用,鉑的完美可能并不需要。研究人員發現,一種足夠好的替代品是用氮等離子體處理的羥基氧化鉿(等離子體是一種電離氣體,是在熒光燈和太陽中發現的物質狀態),將氮原子結合到材料中。
  
  在此之前,許多材料由于不導電而被忽視。然而,研究人員發現,用氮等離子體處理氧化鉿會形成薄膜材料,起到高活性催化劑的作用,在強酸條件下也能存活。
  
  雖然這種鉿基薄膜的效率僅為鉑的三分之二,但鉿比鉑便宜得多。研究人員計劃接下來測試更便宜的鋯。雖然這些材料在燃料電池中可能很有用,但Yang和Koel認為,這些材料在利用催化劑電化學分解水以產生氫作為燃料的系統中最有價值。
  
  “未來的可再生經濟在很大程度上取決于我們如何有效地分解水以產生氫氣,”楊說。 “這一步非常重要。”
  
  但楊和科爾強調,他們的發現    并不會在之后帶來一波價格低廉的新技術熱潮。因為目前制作這種材料的過程非常復雜,而且僅限于實驗室。雖然他們已經確定了這種薄膜的性能,但人們總是要考慮大規模生產這種材料所需的工程技術。但是,這一發現為進一步探索可能取代鉑的材料打開了大門。
  
  “我們仍然不明白為什么這種特殊的材料如此特殊,但我們對我們測量到的性能很有信心,”科爾說。“材料很復雜,所以我們有很多工作要做。”

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