德研究人员发现新型催化剂 开启氢燃料电池的低成本之路

   日期:2019-06-12     来源:汽车材料网    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
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核心提示:现在由普林斯顿大学生物和化学工程教授布鲁斯·科尔(Bruce E. Koel)领导的一个研究小组已经开启了寻找更便宜的替代品的大门。在4月4日发表在Nature Communications期刊上的一篇论文中,研究人员报告说,一种基于铪的化合物的工作效率与铂相关的材料相当,约为60%,但成本约为其五分之一。
   【中国汽车材料网】任何购买珠宝的人都知道,铂金价格昂贵。因此这也对前景广阔的电动汽车造成了一个严重的阻碍——氢燃料电池,它依赖于铂金。
  
  现在由普林斯顿大学生物和化学工程教授布鲁斯·科尔(Bruce E. Koel)领导的一个研究小组已经开启了寻找更便宜的替代品的大门。在4月4日发表在Nature Communications期刊上的一篇论文中,研究人员报告说,一种基于铪的化合物的工作效率与铂相关的材料相当,约为60%,但成本约为其五分之一。
  
  “我们希望找到一种更丰富、更廉价的催化剂,”HiT Nano公司的首席科学家杨晓芳(音)说。她是普林斯顿大学的客座研究员,与科尔共同参与了这个项目。
  
  燃料电池的工作原理是将储存在氢原子中的能量直接转化为电能。美国宇航局长期以来一直使用燃料电池为卫星和其他太空任务提供动力。今天,它们开始被用于电动汽车和公共汽车。
 
  
  氢不仅在这个星球上,而且在已知的宇宙中都是最简单和最丰富的元素。
  
  在最基本的层面上,燃料电池通过将氢分解成质子和电子两部分来产生电能。质子通过膜与氧结合形成水。带负电荷的电子流向燃料电池中带正电荷的极。这种电子流是燃料电池产生的电流,可以为发动机或其他电子设备提供动力。这种分裂需要铂等材料来催化反应。
  
  催化剂也用于产生氢气的反应。氢气作为燃料电池的燃料,在最理想的、与化石燃料无关的情况下,可再生电能可用于在催化剂存在下分裂水分子(两个氢原子和一个氧原子)。这个反应把水分解成氧气和氢气。催化剂的效率越高,分解水所需的能量就越少。
  
  一些称为再生燃料电池的先进燃料电池结合了这两种反应。但目前大多数燃料电池都依赖于由独立系统产生的氢,并将其作为燃料出售。
  
  目前,两种反应的最佳催化剂是铂族金属。 科尔说,研究人员认为这不会改变,因为“铂金几乎是完美的”。 对于铂族金属,抽出氢气的电化学反应快速有效,而且金属可以经受目前这种反应所需的苛刻酸性条件。
  
  然而,问题在于铂金既稀有又昂贵。“你真的无法想象用基于铂的燃料电池取代交通基础设施,”科尔说。“在这种规模下使用太稀有、太昂贵了。”
  
  对于这样的应用,铂的完美可能并不需要。研究人员发现,一种足够好的替代品是用氮等离子体处理的羟基氧化铪(等离子体是一种电离气体,是在荧光灯和太阳中发现的物质状态),将氮原子结合到材料中。
  
  在此之前,许多材料由于不导电而被忽视。然而,研究人员发现,用氮等离子体处理氧化铪会形成薄膜材料,起到高活性催化剂的作用,在强酸条件下也能存活。
  
  虽然这种铪基薄膜的效率仅为铂的三分之二,但铪比铂便宜得多。研究人员计划接下来测试更便宜的锆。虽然这些材料在燃料电池中可能很有用,但Yang和Koel认为,这些材料在利用催化剂电化学分解水以产生氢作为燃料的系统中最有价值。
  
  “未来的可再生经济在很大程度上取决于我们如何有效地分解水以产生氢气,”杨说。 “这一步非常重要。”
  
  但杨和科尔强调,他们的发现    并不会在之后带来一波价格低廉的新技术热潮。因为目前制作这种材料的过程非常复杂,而且仅限于实验室。虽然他们已经确定了这种薄膜的性能,但人们总是要考虑大规模生产这种材料所需的工程技术。但是,这一发现为进一步探索可能取代铂的材料打开了大门。
  
  “我们仍然不明白为什么这种特殊的材料如此特殊,但我们对我们测量到的性能很有信心,”科尔说。“材料很复杂,所以我们有很多工作要做。”

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