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燃料电池新催化剂大幅减少铂用量 大幅降低成本

据外媒报道,科学家们发现活性高而且稳定的新燃料电池催化剂,铂用量仅为目前材料的四分之一。铂是促进燃料电池反应的必要元素。然而,这种贵金属稀有又昂贵。在此次研究中,铂钴颗粒与不含贵金属的载体相互作用,有助于提高性能。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的效能高,代表着未来的轻型和重型汽车动力总成方式。在汽车工业中,从内燃机跨越到燃料电池,需要降低材料成本,提升电池性能。新催化剂的铂用量明显降低,从而降低成本。从性能上看,使用新材料的燃料电池也超过美国能源部多项2025年目标。

如何降低催化剂中的铂含量,同时保持活性和稳定性,成为关注重点。目前在PEMFC电池的多种催化反应中,铂发挥着关键作用,包括分解氧气生成水。美国能源部科学用户设施办公室——阿贡国家实验室纳米材料中心(CNM)的科学家们,与阿贡、普渡大学和上海交通大学的科学家和工程师们,正在联手推进这项研究。

该团队共同开发一种协同催化系统,含有铂钴纳米颗粒和无铂基金属(PGM-free)基体。在合成过程中,将含钴多孔金属有机骨架转化为含钴、氮和碳的催化活性基体,由纳米金属晶体修饰,然后加入铂,形成具有核壳结构的铂钴纳米粒子,这一结构可通过电子显微镜观察到。按重量计算,这些催化剂只含有约3%的铂,而商用燃料电池催化剂中含有20%至30%的铂。研究小组评估运行中PEMFC电池的催化剂性能。结果表明,催化活性显著提高(数值为1.08 - 1.77 A mgPt-1,超过美国能源部2025年的目标0.44 A mgPt-1),持久性显著提高(在3万次电压循环后,仍保持高达初始值的64%)。计算模型显示,铂钴纳米粒子与无PGM位点之间的相互作用,有助于提升催化剂性能。

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