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新型燃料电池催化剂提供了非常便宜的铂金替代品

时间：2022-03-22 12:16:30 来源：

研发出钴，石墨烯和氧化钴替代品的研究人员说，一种用于氢燃料电池的廉价新型催化剂可能会使铂金停产。

布朗大学的化学家孙寿亨和他的学生们开发了这种新材料-一种覆盖有钴和氧化钴纳米粒子的石墨烯片-可以催化氧还原反应的程度几乎与铂一样，并且更耐用。

Suns实验室的博士后研究员，今天在Angewandte Chemie的国际版上发表论文的第一作者郭绍军说，这种新材料“具有任何非铂催化剂中最好的还原性能”。

氧还原反应发生在氢燃料电池的阴极侧。氧气起着电子吸收器的作用，从阳极处的氢燃料中剥离出电子，并产生电牵引力，使电流流过由电池供电的电子设备。

Sun说：“该反应需要催化剂，而铂是目前最好的催化剂。”“但是它非常昂贵，而且供应非常有限，这就是为什么除了一些特殊用途之外，您看不到燃料电池的大量使用。”

到目前为止，科学家们还没有找到可行的替代方案。包括Sun和Guo在内的一些研究人员已经开发出可减少所需铂量的新型催化剂，但仍然根本不使用铂的有效催化剂仍然难以捉摸。

研究人员说，这种新的石墨烯-钴材料是迄今为止最有前途的候选材料。这是第一个不是由贵金属制成的，接近铂金特性的催化剂。Sun和他的团队进行的实验室测试表明，新的石墨烯-钴材料在进行氧还原反应方面比铂慢一些，但是一旦反应进行，新材料实际上以比铂更快的速度还原氧气。

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新催化剂还被证明更稳定，随着时间的推移，其降解速度要比铂慢得多。经过约17小时的测试，石墨烯-钴催化剂的性能约为其初始容量的70％。在相同的时间后，团队测试的铂催化剂的性能不到60％。

钴是一种丰富的金属，很容易获得，价格仅为铂金的一小部分。石墨烯是以蜂窝结构排列的单原子厚的碳原子片。近年来发展起来的石墨烯以其强度，电性能和催化潜力而闻名。

自组装

通常，石墨烯纳米颗粒材料是通过直接在石墨烯表面上生长纳米颗粒而制成的。Sun说，但是这个过程对于制造催化剂是有问题的。他说：“控制纳米粒子的大小，形状和组成确实非常困难，”

Sun和他的团队使用了一种自组装方法，使他们可以更好地控制材料属性。首先，他们将钴纳米颗粒和石墨烯分散在单独的溶液中。

然后将两种溶液合并并用声波敲打以确保它们充分混合。这导致纳米粒子在单层中均匀地附着在石墨烯上，从而最大化了每个粒子参与反应的潜力。

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然后使用离心机将该物质从溶液中拉出并干燥。当暴露于空气中时，每个纳米粒子上的原子钴外层都会被氧化，形成氧化钴壳，有助于保护钴核。

研究人员可以通过将材料在70摄氏度下加热不同的时间来控制氧化钴壳的厚度。长时间加热会增加外壳的厚度。这样，他们可以对结构进行微调，以寻找能够提供最佳性能的组合。在这种情况下，他们发现一纳米氧化钴壳可优化催化性能。

Sun和他的团队乐观地认为，经过更多的研究，他们的材料有一天可能是铂催化剂的合适替代品。“目前，它在碱性介质中可与铂媲美，” Sun说，“但尚未准备就绪。我们仍然需要做更多的测试。”

Sun说，归根结底，找到合适的非铂催化剂是使燃料电池脱离实验室阶段并作为汽车和其他设备的电源投入生产的关键。

通过。凯文·史黛西·布朗


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