化学家们报告了燃料电池技术的巨大进步

2019-04-15 16:12:55
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创造可以高效运行并持续很长时间的催化剂是将燃料电池技术从实验室工作台引入装配线的一大障碍。贵金属铂金已经成为许多研究人员的首选,但铂金有两个主要缺点:价格昂贵,而且燃料电池反应会随着时间的推移而崩溃。

在一项新的研究中,布朗大学的化学家报告了一项有希望的进展。他们创造了一种独特的核和壳纳米粒子,在燃料电池反应的阴极端使用了更少的铂,但效率更高,持续时间长于市售的纯铂催化剂。

被称为氧还原反应的化学反应发生在燃料电池的阴极,产生水作为唯一的废物,而不是内燃系统产生的全球变暖的二氧化碳。阴极也是高达40%的燃料电池效率损失的地方,因此“这是使燃料电池成为内燃机和电池更具竞争力的技术的关键一步,”布朗的化学教授孙守恒说。“美国化学学会杂志 ”的论文的共同作者。

该研究团队包括布朗研究生和共同作者Vismadeb Mazumder以及田纳西州橡树岭国家实验室的研究人员,他们创造了一个五纳米钯(Pd)核心,并用铁和铂(FePt)组成的壳体环绕它。Mazumder说,诀窍在于塑造一个能够保持其形状并需要最少量铂金才能实现有效反应的外壳。该团队通过分解五羰基铁[Fe(CO)5 ]和还原铂乙酰丙酮[Pt(acac)2 ]来制造铁 - 铂壳,这是Sun首次报道的2000年科学技术纸。结果是一个仅使用30%铂金的外壳,尽管研究人员表示他们希望能够制造更薄的外壳并使用更少的铂金。

“如果我们不使用五羰基铁,则铂(钯)核上不会形成铂,”Mazumder说。

研究人员首次证明,他们可以始终如一地生产出独特的核 - 壳结构。在实验室测试中,钯/铁 - 铂纳米颗粒在相同催化剂重量下产生的电流是市售纯铂催化剂的12倍。产量在10,000次循环中保持一致,至少比1000次循环后开始恶化的市售铂金型号长十倍。

该团队创造了铁铂壳,其宽度从1纳米到3纳米不等。在实验室测试中,该小组发现1纳米壳的性能最佳。

“这是一个非常好的证明,在实验室中,核心和壳的催化剂可以很容易地以半克的量生产,它们是活跃的,它们可以持续使用,”Mazumder说。“下一步是将它们扩展用于商业用途,我们相信我们能够做到这一点。”

Mazumder和Sun正在研究为什么钯核增加铁铂的催化能力,尽管他们认为它与核和壳金属之间的电子转移有关。为此,他们试图使用比钯更为活跃的化学金属作为核心,以确认核 - 壳排列中的电子转移及其对催化剂功能的重要性。

Oak Ridge实验室的Miaofang Chi和Karren More也为该论文做出了贡献。美国能源部能源效率和可再生能源办公室资助了该研究,作为其燃料电池技术计划的一部分。

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