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无珀催化剂降低氢燃料电池成本

日期:2020-05-25    来源:FuelCellsWorks

国际新能源网

2020
05/25
11:03
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关键词: 氢燃料电池 氢燃料电池催化剂 氢能源催化

据国外媒体报道:美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家最近开发并深入研究了不含铂的燃料电池催化剂(可加速燃料电池反应的化学物质)。这项研究使人们对使这些催化剂有效的机理有了更好的了解,可以为生产更高效和更具成本效益的催化剂提供依据。

据阿贡实验室化学科学与工程(CSE)部门氢与燃料电池材料小组负责人黛博拉·迈尔斯(Deborah Myers)介绍,该研究以原子尺度实时观察了催化过程,了解了催化机理,并探索了性能更好的催化剂的设计。

市售的氢燃料电池依赖于氧还原反应(ORR),该反应将氧分子分裂成氧离子并将其与质子结合形成水。ORR是一个相对较慢的反应,限制了燃料电池的效率,并需要大量的铂催化剂。铂合金催化剂促进了氧气的还原反应,但铂合金催化剂是燃料电池电极中最昂贵的成分。燃料电池电动汽车的推广及可持续的商业化运营则需要大幅减少铂的用量,或者用富含铁的廉价材料制成的铂催化剂来代替铂催化剂。

ORR中最有前途的无铂催化剂是基于铁、氮和碳的。为了生产催化剂,研究人员混合了包含这三种元素的前体,并在热解的过程中将它们加热到900到1100摄氏度之间。热解后,材料中的铁原子与四个氮原子键合,并嵌入石墨烯的平面中,石墨烯是一原子厚的碳层。每个铁原子构成一个活性位点或一个可能发生ORR的位点。材料中活性位点的密度越大,电极越有效。

热解过程中形成活性位点的机制一直是个研究难点。迈尔斯(Myers)和合作者利用阿贡实验室的先进光子源(APS)进行了原位X射线吸收光谱分析,以揭示材料在热解过程中在原子尺度上的行为。他们将X射线束对准铁、氮和碳的前驱体,观察哪些元素在化学上相互结合,以及如何结合。之后他们发现在铁,氮和碳前驱体混合物的热解过程中,首先形成氮-石墨烯位点,然后气态铁原子将自身插入这些位点。他们还发现,通过使用一种称为掺杂的技术,首先将氮插入碳中,然后在热解过程中将铁引入系统中,而不是将所有三个组分一起加热,从而可以在催化剂中产生更高密度的活性位。

在此过程中,研究人员将掺氮碳放入炉中,气态铁原子将自身插入四个氮原子基团中心的空位中,形成活性位点。该方法避免了大部分碳中铁原子的聚集和掩埋,从而增加了石墨烯表面上的活性位点数量。

这项研究是由美国能源部燃料电池技术办公室资助的一个大型项目的一部分,该项目称为电催化联盟(ElectroCat),该项目专门致力于推动燃料电池用无铂催化剂的开发。这项研究的结论有助于弥合输入前体与热解后催化剂的结构之间的知识鸿沟。这项关键发现为科学家提供了增加材料中活性位点密度的途径,该小组将继续开发用于氢燃料电池的更具活性和稳定性的无铂催化剂。

该研究结果的论文标题为“Evolution pathway from iron compounds to Fe1(II)?N4 sites through gas-phase iron during pyrolysis”,发表于《美国化学学会杂志》(the Journal of the American Chemical Society)上。


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