提高燃料电池中铂的使用效率

时间：2021-06-14 11:16:10 来源：

在某些情况下，燃料电池是便携式或移动式能源生产的必杀技。但是，将氢原子撕裂成发电所需零件的催化剂问题仍然阻碍着广泛的商业销售。

效率的最佳催化剂是铂，铂是稀有，昂贵且美丽的银色金属。其他想法正在研究中，一些早期的主张看起来很积极，但就目前而言，铂金为王。如果铂金将保持领先地位，将如何削减成本并延长寿命？

康奈尔能源材料中心的研究团队在化学工艺方面迈出了重要的一步，该化学工艺生产的铂钴纳米颗粒具有富含铂的壳，并具有改善的催化活性。

这项新工作还解决了另一个催化剂问题。燃料电池几乎是一种稳定的能量产生装置。不需要油门，即时加电，按需功率或其他特别是电动汽车使用所需的常规偏差。这种变化将需要蓄电池或更可能的电容器来实现功率突发和能量回收浪涌。独自工作的燃料电池的呆滞感觉根本不会使驾驶员感到高兴。

赫克托·阿布鲁尼亚（E.M.）查莫特化学与化学生物学教授相信康奈尔大学的工作。“ ..。可能是一个真正的重大改进。它增强了催化作用，并将成本降低了五分之一。”

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在氢燃料电池中，一个电极上的催化剂将氢原子裂解成其质子和电子。电子通过外部电路传播，以产生流向另一电极的电流，第二电极在该电极上将入射的电子，自由质子和氧气结合在一起形成水。在当前的商业燃料电池中，该催化剂是纯铂。

康奈尔大学的铂钴共颗粒。

康奈尔大学的研究小组以前已经创建了钯-钴合金的纳米粒子，该纳米粒子涂有一层铂薄，可以像纯铂那样以较低的成本工作。将催化剂形成为纳米颗粒，通常直径约5纳米，分布在碳载体上，可提供更大的表面积与燃料反应。

Abruña解释说，催化反应的计算机模拟预测，如果将铂原子稍微拉在一起或“拉紧”，则催化活性应会增加。

Abruñas小组的博士后研究员Deli Wang设计了一种新的化学工艺来制造铂-钴合金的纳米颗粒，该工艺包括退火（加热）步骤，其中合金中随机分布的原子形成有序的晶体结构。金属原子不只是混杂在一起，而是将自己排列成有序的晶格。

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这项创新绝对是关键-层叠在这些颗粒上的铂原子与晶格排列在一起，并且比纯铂中的铂原子更紧密地靠近在一起，从而产生增强的“应变”催化活性。

Mullers研究组的研究生Huolin Xin使用扫描隧道电子显微镜确认了结构。

在初步测试中，支撑在晶格中的新纳米颗粒的催化活性（通过电流测量）比具有无序核的类似颗粒高出约三倍半，比纯铂高出十二倍以上。

新催化剂也更耐用。

当铂原子被氧化或纳米颗粒凝聚在一起时，燃料电池催化剂将失去其效力，从而减少了它们可提供的与燃料反应的表面积。

在测试电池经过5,000次开-关循环后，康奈尔有序晶格纳米粒子的催化活性保持稳定，而具有无序核的类似钴铂纳米粒子的催化活性迅速下降。

Abruña说，有序结构更加稳定。与无序合金相比，铂皮可能更牢固地结合到有序核上，因此与其他纳米粒子上的铂融合而导致结块的可能性较小。他说：“我们还没有超过5,000个周期，但是到那时为止，结果看起来非常非常好。”

与主要作者Abruña一起，Wang和Xin的合著者包括John Newman化学与化学生物学教授Francis DiSalvo，以及康奈尔大学纳米科学部Kavli研究所应用和工程物理学教授David Muller。他们的论文《结构化有序的金属间铂-钴核-壳纳米粒子作为还原性氧催化剂具有增强的活性和稳定性》已发表在《自然材料》上。

关于解决燃料电池催化剂问题提出了许多要求。到目前为止，新想法还没有实现商业或大规模生产规模。但是铂金燃料电池是制造领域的已知技术，如果Abruña恰好适合将铂金含量减少80％的商业应用，而又不会产生巨大的加工成本，那么燃料电池可以找到更大的市场。

通过。布莱恩·韦斯滕豪斯

资源：使燃料电池中的铂金更持久

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