《韩国研发新型催化剂,攻克氢燃料汽车电池的腐蚀问题》

  • 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:2020-08-12
  • 当自行车在雨中被打湿后,车架和车链就会被腐蚀或生锈,从而缩短自行车的使用寿命,因此需要定期涂油防止此种情况的发生。电池是通过分别触发氧化和还原反应,移动电子以产生电能的装置,但是被暴露在氧气中时也会被腐蚀。那么,给电池涂上润滑油可以防止生锈吗?

    据外媒报道,韩国浦项工科大学(POSTECH)材料科学与工程专业的教授Yong-Tae Kim与博士生Sang Moon Jung领导的一个研究小组采用一种结合了铂和氢钨青铜的催化剂(Pt/HxWO3),解决了氢燃料汽车不使用时燃料电池的腐蚀问题。此种催化剂已被证明,可以促进氢的氧化反应以及选择性抑制氧还原反应(ORR)。

    随着环保型氢燃料汽车变得越来越普遍,世界各地提高燃料电池性能的研发竞赛也变得越来越激烈。燃料电池是氢燃料汽车的核心。与一旦启动就不会停止运行的发电类燃料电池相比,汽车燃料电池的性能会非常低,因为会间歇性停止工作。当汽车点火被关闭,就会发生氧还原反应,空气暂时被引入到电池的阳极,随着阴极电位瞬时激增,阴极成分的腐蚀会加速。

    该研究团队专注于金属绝缘体过渡(MIT)现象,该现象可以根据周边的环境,选择性地改变材料的电导率,以解决汽车燃料电池的退化问题。

    研究人员特别关注于氧化钨(WO3)。一般而言,氧化钨被用作电子变色材料,可通过插入和还原质子改变电导率。在汽车正常工作时利用氧化钨的MIT现象,通过插入一个质子,在维持H-WO3(导体)转态的同时产生电极反应。然后,当汽车点火停止时,混合空气会被引入,使氧气压力升高,并将其变成WO3(次导体),使电极反应停止,从而解决了阴极腐蚀的问题。

    在MEA汽车电池评估中,当汽车处于关闭状态时,与传统的商用Pt/C催化剂材料相比,此种由金属绝缘体过渡现象所产生的Pt/HxWO3选择性氢氧化反应(HOR)催化剂的耐久性高出2倍多。

    领导该项研究的Yong-Tae Kim教授表示:“该项研究极大地提升了汽车燃料电池的耐久性,此类研究成果有望进一步推出氢燃料汽车的商业化。”

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    • 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。