中科大新技術研發出高性能電池催化劑“家族”

來源:安徽日報 2021-10-22 10:28中投網 A-A+

  記者10月22日凌晨從中國科學技術大學獲悉,該校梁海偉教授與該校林岳博士、北京航空航天大學水江瀾教授等合作,發展了一種高溫“硫固體膠”的合成方法,成功研發出一系列高性能鉑基氫燃料電池催化劑,這一催化劑“家族”對于降低燃料電池成本,推動其大規模產業化具有重要意義。該成果于10月22日發表在國際權威期刊《科學》雜志上。

  氫燃料電池是一種高效、清潔、無碳的發電裝置,其工作原理是氫氣和空氣中的氧氣分別在電池的陽極和陰極發生氫氧化和氧還原兩個電化學反應,從而高效地將化學能轉變成電能。然而,氫燃料電池陰極需要使用大量鉑基催化劑來催化氧還原反應。鉑是一種貴金屬,這就使得氫燃料電池的造價非常昂貴。發展高活性催化劑、減少鉑使用量,是氫燃料電池大規模商業化的關鍵所在。

  梁海偉教授聯合團隊通過高溫“硫固體膠”的合成方法,利用硫原子與鉑原子之間強烈的相互作用,如固體膠般將鉑基合金納米顆粒在高溫下“粘”在碳載體上,有效防止了納米顆粒在高溫下尺寸變大,成功制備了46種鉑基合金(金屬間化合物)燃料電池催化劑。基于構建的龐大催化劑“家族”,他們研究發現鉑基合金催化活性與其表面應力存在強關聯性:在很寬的壓縮應變范圍內,其氧還原活性隨著壓縮應變的增加呈現單調上升趨勢。該現象不同于經典理論預測的火山關系趨勢。基于該發現,他們預測若能通過減小鉑合金催化劑的晶格參數增大壓縮應變,有望將催化性能進一步推向峰值。

  研究人員從合成的46種催化劑“家族”中篩選出數種高活性催化劑,使得氫燃料電池性能達到了目前世界先進水平。和商業鉑碳催化劑相比,他們所合成的鉑鎳合金催化劑的活性高5倍以上。當鉑的使用量只有商業鉑碳催化劑的十分之一時,他們所合成的鉑鈷合金催化劑表現出與商業鉑碳催化劑相當的燃料電池性能。因為制備高性能鉑合金氫燃料電池催化劑的方法是一種普適性方法,因此有望大幅降低鉑使用量,從而降低燃料電池成本。

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