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中国科大团队发明“高温固体胶”,大大降低燃料电池成本

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IT之家 2021-10-22 09:09

IT之家 10 月 22 日消息,据中国科学技术大学发布,中国科学技术大学梁海伟教授与我校林岳博士、北京航空航天大学水江澜教授等合作,发展了一种高温“硫固体胶”的合成方法,成功研发出一系列高性能铂基氢燃料电池催化剂,这一催化剂“家族”对于降低氢燃料电池成本,推动其大规模产业化具有重要意义。该成果 10 月 22 日发表在国际权威期刊《科学》杂志上。

论文链接:science.org/doi/10.1126/science.abj9980

IT之家获悉,氢燃料电池是一种高效、清洁、无碳的发电装置,其工作原理是氢气和空气中的氧气分别在电池的阳极和阴极发生氢氧化和氧还原两个电化学反应,从而高效地将化学能转变成电能。然而,氢燃料电池阴极需要使用大量铂基催化剂来催化氧还原反应。铂是一种贵金属,这就使得氢燃料电池的造价非常昂贵。发展高活性催化剂、减少铂使用量,是氢燃料电池大规模商业化的关键所在。

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▲燃料电池内部

梁海伟教授联合团队通过高温“硫固体胶”的合成方法,利用硫原子与铂原子之间强烈的相互作用,如固体胶般将铂基合金纳米颗粒在高温下“粘”在碳载体上,有效防止了纳米颗粒在高温下尺寸变大,成功制备了 46 种铂基合金(金属间化合物)燃料电池催化剂。

基于构建的庞大催化剂“家族”,他们研究发现铂基合金催化活性与其表面应力存在强关联性:在很宽的压缩应变范围内,其氧还原活性随着压缩应变的增加呈现单调上升趋势。该现象不同于经典理论预测的火山关系趋势。基于该发现,他们预测若能通过减小铂合金催化剂的晶格参数增大压缩应变,有望将催化性能进一步推向峰值。

研究人员从合成的 46 种催化剂“家族”中筛选出数种高活性催化剂,使得氢燃料电池性能达到了目前世界先进水平。和商业铂碳催化剂相比,他们所合成的铂镍合金催化剂的活性高 5 倍以上,但铂的使用量只有商业铂碳催化剂的十分之一时,他们所合成的铂钴合金催化剂表现出与商业铂碳催化剂相当的燃料电池性能。

审稿人认为,“这项研究展示的尺寸小于 5 纳米的金属间化合物纳米颗粒对催化应用至关重要。作者向我们展示了系列二元和多元铂基金属间化合物的尺寸控制合成,令人印象深刻。”

梁海伟表示,他们制备高性能铂合金氢燃料电池催化剂的方法是一种普适性方法,有望大幅降低铂使用量,从而降低燃料电池成本。

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