中科大新技术研发出高性能电池催化剂“家族”

来源:安徽日报 2021-10-22 10:28中投网 A-A+

  记者10月22日凌晨从中国科学技术大学获悉,该校梁海伟教授与该校林岳博士、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”对于降低燃料电池成本,推动其大规模产业化具有重要意义。该成果于10月22日发表在国际权威期刊《科学》杂志上。

  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。

  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。当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。因为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,因此有望大幅降低铂使用量,从而降低燃料电池成本。

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