科學家發現足夠廉價的燃料電池催化劑關鍵成分
研究人員發現,在鐵-氮-碳催化劑中加入氫,可以大幅降低氣候友善燃料電池的成本。多年來,研究人員一直在孜孜不倦地尋找成本效益高的替代品,以取代燃料電池中使用的鉑金和其他高價金屬。他們的工作重點是探索鐵、氮和碳這三種容易取得且價格較低的材料的各種組合。
然而,要在這些鐵氮碳催化劑的耐久性和效率之間取得平衡卻並非易事,因此這個過程充滿了挑戰。雖然他們已經成功地使催化劑具有持久性或高性能,但同時實現這兩個屬性仍然是一個巨大的障礙。
布法羅大學領導的一項新研究可能會提供一種解決方案。在《自然-催化》雜誌上,研究人員報告瞭如何在製造過程中加入氫氣,從而製造出接近鉑金性能的強效催化劑。
![Gang-Wu-Research-Team.jpg](https://i0.wp.com/static.cnbetacdn.com/article/2024/0121/9e3013880d8cec8.jpg?w=640&ssl=1)
前排中間的吳剛正在努力降低與生產氣候友善燃料電池相關的成本。圖片來源:布法羅大學Douglas Levere。
這項進展表明,燃料電池技術在幫助汽車、卡車、火車、飛機和其他重型車輛實現無污染供電的潛力方面邁出了重要一步。
“多年來,科學界一直在努力平衡這種權衡。我們可以製造出低成本的有效物質,但它們太容易降解。或者,我們可以製造出非常穩定的物質,但其性能卻無法與鉑相提並論。 “這項研究的通訊作者、工程與應用科學學院化學與生物工程系教授吳剛博士說:”透過這項工作,我們朝著解決這個問題邁出了一步。
這項工作建立在吳領導的先前研究基礎之上,該研究描述了鐵-氮-碳催化劑,雖然這種催化劑經久耐用,但卻難以加快燃料電池中的重要化學反應。
新研究在一種名為熱解的製造過程中解決了這一局限性,該工藝涉及使用極高的溫度來組合材料。
在高溫分解過程中,研究人員在高溫艙中將四個氮原子與鐵結合在一起。然後,他們將這種材料嵌入幾層石墨烯中,石墨烯是一種堅韌、輕盈、柔韌的碳。
通常,這個過程是在一個裝有氬氣等惰性氣體的腔體內進行的。但這次,研究人員將氫氣送入艙內,形成了90% 的氬氣和10% 的氫氣混合物。
因此,研究人員能夠更精確地控制催化劑的組成。具體來說,他們能夠將兩種不同的鐵-氮-碳化合物(一種含有10 個碳原子,另一種含有12 個碳原子)置於有助於提高耐久性和效率的位置。
由此產生的催化劑達到了燃料電池的初始性能,遠遠超過了能源部2025 年的目標。事實證明,它比大多數鐵氮碳催化劑更耐用,接近燃料電池使用的典型低鉑陰極。
編譯來源:ScitechDaily