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《我国科学家利用摩擦纳米发电机驱动电沉积制备三功能催化剂》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2020-04-09

  • 燃料电池和可充电金属空气电池是零排放清洁能源技术的一种，发展燃料电池和可充电金属空气电池技术对缓解环境污染和能源危机有着积极的作用。氧气和氢气等小分子的催化转化是电池能量转化过程中最重要的反应，如何提高催化剂的性能和降低其成本一直是该类电池发展的关键技术瓶颈，设计具有优异性能的高效催化剂是一项紧迫而富挑战性的任务。

    近期，我国科学家利用层状摩擦纳米发电机产生的高压脉冲直流电作为新型电源，可在没有任何封端剂的情况下将亚2nm铂（Pt）纳米团簇电沉积到NiFe-LDH纳米片上，制备了性能优异的Pt-NiFe-LDH催化剂。Pt纳米团簇与NiFe-LDH纳米片之间的协同作用增强了HO-H键的裂解和氢中间体的重组以形成分子氢，从而显著提高了析氢反应（HER）活性。同时，通过将Fe3+还原为Fe2+调节局部原子结构和晶体缺陷，NiFe-LDH纳米片也增强了析氧反应（OER）活性，沉积的亚2nmPt纳米簇同时提高了氧还原反应（ORR）活性。因此，所制备的Pt-NiFe-LDH催化剂表现出对HER，ORR和OER的三功能催化活性，且可以用作燃料电池和可充电锌-空气电池的电极催化剂。该研究成果为提高燃料电池和可充电金属空气电池HER，ORR和OER的催化活性提供了新的思路。

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相关报告

  • 《美国高校开发三层双功能制氢催化剂》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2019-10-31
    • 由莱斯大学和休斯敦大学开发的一种新型高效、高度活跃的双功能催化剂可将水分解成氢和氧，而不需要像铂这样昂贵的金属。该研究小组认为，这项工作提供了一种简单的策略，即从地球丰富的材料中制造出高效的电催化剂，用于整体水分离。 　　由莱斯大学生产、休斯敦大学测试的电解膜是一种三层结构的镍、石墨烯和三元金属磷化物(FeMnP、铁、锰和磷)。泡沫镍使薄膜有一个较大的表面，使导电石墨烯保护镍不受降解，金属磷化物也能进行反应。 　　石墨烯，一种原子厚度的碳，是保护底层镍的关键。在化学气相沉积（CVD）炉中的镍泡沫上形成1至3层石墨烯，并且还通过CVD和单一前体将铁、锰和磷加在其上。 　　通过对镍泡沫和无石墨烯的磷化物进行了测试比较了中间的镍泡沫和无石墨烯的磷化物，结果发现导电石墨烯降低了氢和氧反应的电荷转移电阻。 　　Whitmire表示，该材料具有可扩展性，可应用于生产氢和氧的汽车工业中，也可用于电催化储存能量的太阳能和风力发电设施。 　　在氢进化反应(HER)和氧进化反应(OER)中，FeMnP表现出高的电催化活性。利用FeMnP / GNF作为阳极和阴极进行整体水分离,团队在低至1.55 V的电池电压下实现了10 mA cm-2的电流密度。通过密度泛函理论(DFT)的计算表明，暴露Fe和Mn位点的切面是实现HER高活性的必需条件。 　　Kenton Whitmire表示：“常规金属有时会在催化过程中氧化。通常，氢的进化反应是酸的，氧的进化反应是在碱中完成的。我们这次所研发的是一个稳定的材料，不管是在酸性还是碱性溶液中。” 　　这一发现建立在研究人员今年早些时候发明的一种简单的氧进化催化剂之上。在这项工作中，研究小组直接在一个半导体纳米线阵列上产生了催化剂，将太阳光转化为太阳能水分解的能量。
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  • 《科学家开发新型燃料电池催化剂》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2018-10-29
    • 阻碍环保氢燃料电池广泛应用于汽车、卡车和其他车辆的一个因素是铂催化剂的成本。 使用不太贵重的铂的一种方法是将其与其他较便宜的金属结合使用，但这些合金催化剂在燃料电池条件下往往会迅速降解。 现在，布朗大学的研究人员已经开发出一种新型合金催化剂，既能减少铂的使用，又能在燃料电池测试中保持良好的性能。 据《焦耳》杂志报道，这种催化剂由铂合金和纳米颗粒中的钴制成，在反应性和耐久性方面都超过了美国能源部(DOE) 2020年的目标。 “合金催化剂的耐久性是该领域的一个大问题，”布朗大学化学研究生Junrui Li说。 “研究表明，合金最初的性能比纯铂要好，但在燃料电池中，催化剂的非贵金属部分会很快被氧化和过滤掉。” 为了解决这个浸出问题，Li和他的同事开发了一种特殊结构的合金纳米颗粒。 这些粒子有一个纯铂外壳，围绕着一个由铂和钴原子交替层构成的核心。 布朗大学(Brown)化学教授、该研究的资深作者Shouheng Sun表示，这种分层的核心结构是催化剂反应性和耐久性的关键。 “内核中原子的分层排列有助于平滑和收紧外壳中的铂晶格，”Sun说。 “这增加了铂的反应性，同时也防止了钴原子在反应过程中被吃掉。这就是为什么在金属原子随机排列的情况下，这些粒子比合金粒子表现得更好。” 关于有序结构如何增强催化剂活性的细节在焦耳论文中有简要描述，但更具体地说，在发表在《化学物理杂志》上的另一篇计算机建模论文中。 这项建模工作由安德鲁·彼得森(Andrew Peterson)领导，他是布朗工程学院的副教授，也是焦耳论文的合著者。 为了进行实验工作,研究人员测试了催化剂的能力来执行氧还原反应,这对燃料电池性能和耐久性是至关重要的。 在质子交换膜(PEM)燃料电池的一侧, 从氢燃料中剥离出来的电子会产生驱动电动机的电流。在电池的另一端，氧原子吸收这些电子来完成一个循环。 这是通过氧还原反应完成的。 初步测试表明，该催化剂在实验室环境下表现良好，优于更传统的铂合金催化剂。 新催化剂在3万次电压循环后仍然保持活性，而传统催化剂的性能明显下降。 但是，尽管实验室测试对于评估催化剂的性能很重要，研究人员说，它们并不一定能显示催化剂在实际燃料电池中的性能。 与实验室测试环境相比，燃料电池环境温度更高，酸度也不同，这将加速催化剂的降解。 为了弄清楚这种催化剂在这种环境下能维持多久，研究人员将这种催化剂送到洛斯阿拉莫斯国家实验室，在一个实际的燃料电池中进行测试。 测试表明，该催化剂在初始活性和长期耐久性方面都优于美国能源部(DOE)设定的目标。 美国能源部要求研究人员开发催化剂，到2020年，其初始活性为每毫克铂0.44安培，在3万次电压循环(大致相当于燃料电池汽车使用5年)后，其活性至少为每毫克铂0.26安培。 对新催化剂的测试表明，它的初始活性为每毫克0.56安培，在3万次循环后的活性为每毫克0.45安培。 “即使经过了30000个循环，我们的催化剂仍然超出了能源部最初的活性目标，”Sun说。 “在真实的燃料电池环境中，这种性能真的很有前途。” 研究人员已经申请了催化剂的临时专利，他们希望继续开发和完善它。
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