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華人科學家把氫燃料電池成本打下來了新催化劑廉價高效還穩定

華人科學家把氫燃料電池成本打下來了新催化劑廉價高效還穩定

2022-04-25 Comments 0 Comment

氫燃料電池生產成本總是居高不下?其中一個重要原因是:鉑催化劑成本太高。那有沒有可能,找到一種材料,廉價高效又穩定,從而完全擺脫對鉑的依賴呢?近日發表在Nature子刊上的一篇論文,宣布了一個重大進展: 基於氫氧化物交換膜燃料電池,合成了一種新型鎳催化劑——Ni-H₂-NH3,用於電池陽極進行氫氧化反應,可以大大提高效率。研究顯示,電池的峰值功率密度可達到450mW/cm²,在這之前最好成績是76mW/cm²,相比提升了近5倍。

研究者們,還是清一色中國面孔。

新型鎳催化劑?

什麼是氫氧化物交換膜燃料電池(HEMFC)?

是一種鹼性燃料電池(AFC),可在陽極使用非貴金屬催化劑,所以製造成本低。

但並不是當今氫燃料電池車的商業首選。

質子交換膜燃料電池(PEMFC)才是,比如豐田的Mirai車型就採用的這種。

為什麼呢?

主要原因在於——這種氫氧化物交換膜燃料電池,現有的陽極催化劑雖然不需要貴金屬鉑,但在催化活性上遠遠不能滿足需求。

這篇發表在Nature子刊上的論文,合成了一種新型鎳催化劑——Ni-H₂-NH3,比活性達到了70μA/cm²,在所有無鉑催化劑中排名第一。

然而在此之前,最好的鎳催化劑還不到40μA/cm²,差不多翻了一番。

比活性,指的是電化學表面積-歸一化交換電流密度,即單位催化劑表面積上通過的電流,可以用來判斷該催化劑的催化活性如何。

那麼,這個催化劑為啥活性這麼高?

首先,在390℃的混合氣體(H₂/NH3/N2)中,熱解鎳基的金屬有機骨架,得到催化劑Ni-H₂-NH3。

該催化劑由氮摻雜碳基的鎳納米顆粒組成。

值得注意的是,兩年前作者也合成了類似的鎳催化劑——Ni-H₂-2%,不過是在N2和H₂的混合氣體中熱解而得,沒有NH3。

一般情況下,降低金屬鎳的氫結合能(HBE),就能增加該催化劑的氫氧化反應活性。

該催化劑的鎳納米顆粒和碳載體上,電子間進行相互作用,從而使得氫結合能達到最理想值。

此外,降低氫氧化物結合能(OHBE)也能增加反應活性,但不是主導因素。

除了從熱力學方面進行思考,過渡態勢壘、界面電場、溶劑動力學這些因素也會影響到催化劑的反應活性。

有了這個催化劑,電池性能如何?

既然它催化活性這麼高,氫氧化物交換膜燃料電池表現如何呢?

首先來看電池的峰值功率密度(PDD)。

說個直觀的數據,如果是用鉑作為陽極催化劑,電池的峰值功率密度可超過1300 mW/cm²,但是在此之前,用上性能最好的無鉑催化劑,峰值功率密度卻只有76mW/cm²。

差距不是一點點大。

這篇論文報導的新型鎳催化劑,陰極同樣使用無鉑催化劑的情況下,可以讓電池的峰值功率密度達到450 mW/cm²,相比原來提升了近5倍。

美國能源部(DOE)給它設立的目標就是——2030年電池峰值功率密度達到600 mW/cm²,終極目標是超過1000mW/cm²。

距離目標越來越近了。

需要補充的是,當陰極使用鉑金屬催化劑時,電池的峰值功率密度能達到628mW/cm²。

接下來看電池的耐久性如何。

在95℃的溫度下,0.7V恆定電壓,該電池在40小時後電流密度僅僅只下降了7%,證明這款新型鎳催化劑在高溫和強電流下,化學穩定性非常好。

以上種種說明,對於氫氧化物交換膜燃料電池來說,就算沒有貴金屬鉑作為陽極催化劑,照樣可以很高效穩定。

最重要的一點,如果催化活性提升上去了,將來就可以完全取代鉑,從而大幅降低生產成本,向大規模商業化邁進。

相比貴金屬鉑,鎳儲量這麼豐富,難道不香嗎?

風水輪流轉,或許不久的將來,質子交換膜燃料電池就要被趕下台了。

論文研究團隊介紹

一作是倪偉焱和王騰。

倪偉焱,高中畢業於九江市一中,2015年本科畢業於南開大學化學學院。

2015年~2021年,在洛桑聯邦理工學院取得化學碩士和博士學位,且博士就讀期間,師從胡喜樂教授。

目前在多倫多大學念博士後,受到來自瑞士國家科學基金會(Swiss National Science Foundation, SNSF)的基金資助。

據公開資料顯示,倪偉焱已發表12篇學術論文,最近的一篇論文,標題為《用於氫氧化反應的協同Pt-Ru-氮摻雜碳催化劑實現的低鉑族金屬負載氫氧化物交換膜燃料電池》。

王騰,高中畢業於新疆烏魯木齊市第一中學,2013年本科畢業於北京大學化學與分子工程學院材料化學專業。

2013年~2018年期間,博士就讀於北京大學無機化學專業,在這期間,他在北京大學新能源與納米材料實驗室,師從李星國教授和鄭捷教授。

該實驗室的研究領域之一就是水分解和燃料電池電催化劑(氫析出、氧析出反應催化劑)。

目前,王騰正在特拉華大學念博士後。

本文的通訊作者是胡喜樂和嚴玉山。

胡喜樂,是瑞士洛桑聯邦理工學院化學科學與工程學院化學系教授,有機化學家。

2000年,本科畢業於北京大學化學系,2000年~2004年期間,碩士和博士相繼畢業於加利福尼亞大學化學系。

2005年~2007年,在加州理工學院念博士後。2007年~2012年,在洛桑聯邦理工學院化學系擔任助理教授,2013~2016年,擔任該化學系副教授,2016年至今,擔任教授。

胡喜樂教授小組主要研究目標是開發富含地球的元素製成的催化劑,將其用於與合成、能源和可持續性發展相關的化學轉化。

嚴玉山,來自中國吉林,現為特拉華大學化學與生物分子工程系主任,國際著名的分子篩膜專家,近日當選為美國國家工程院院士。

1988年獲中國科學技術大學學士學位,1995年獲美國加州理工學院工學碩士學位,1997年6月獲美國加州理工學院化工系工學博士學位。

1996年至1998年任美國AlliedSignal公司Senior Staff Engineer和Project Leader。

1998年9月開始在美國加州大學河濱分校化學工程與環境工程系工作,任助理教。2002年7月任副教授,2005年7月晉升為教授。

2006年被美國加州大學授予大學學者(University Scholar)稱號。2010年獲得國際分子篩協會授予的唐納德布瑞克獎。此外,其在燃料電池(膜與催化)領域也做了很多創新性研究,並獲得美國能源部高級能源研究計劃署OPEN 2009和OPEN 2012。

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