燃料电池采用新型铂金加快速度

2019-01-15 10:03:20
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风能产能能源部SLAC国家加速器实验室和休斯敦大学的研究人员创造了一种可用于制造更便宜,更高效燃料电池的新型铂金。该过程在4月25日出版的“ 自然化学 ” 杂志上有所描述,可以帮助更广泛地使用这些使用氢气产生无排放能源的设备。

“这是一项重大进展,”科学家Anders Nilsson说道,他在斯坦福材料与能源科学研究所进行研究,这是SLAC与斯坦福大学的联合研究所。“燃料电池是在100多年前发明的。它们还没有超越成为一项重大技术,部分原因在于铂金的这种困难。”

燃料电池对清洁能源有很大的希望,因为电池的唯一副产品是水。但目前的燃料电池设计可能需要多达100克的铂金,将其价格标签推高到数千美元。通过调整铂的反应性,研究人员能够将所需的铂金量减少80%,并希望很快将其减少10%,大大削减了整体成本。

“我认为十分之一,我们将有一个本垒打,”尼尔森补充说。

燃料电池的工作方式与电池非常相似 - 阳极提供电子,阴极将电极收集在电路的另一端。但与电池不同,燃料电池使用氢气和氧气来驱动它们产生能量的反应; 当氧进入金属阴极时,它在与氢形成水之前被分解成单个原子。

阴极金属的选择非常重要,因为一些金属不能分解氧原子,而另一些金属试图与氧原子结合得太强,使它们远离关键反应。科学家寻求完美的“平衡点”,其中氧键断裂的数量最大化,氧原子与催化剂结合得更弱。它们与铂达到了平衡,铂的强度足以破坏氧键,但不会过强地与游离氧原子结合。不幸的是,它的成本也足以使铂电极燃料电池难以承受。

2005年,休斯敦大学研究员彼得斯特拉瑟开始寻找解决铂金问题的方法,而不是像其他研究人员那样直接取代铂金,而是让铂金更具反应性。

为此,Strasser及其同事使用了一种称为脱合金的过程。首先,他们将铂与不同数量的铜结合在一起,形成铜铂合金。然后他们从合金的表面区域去除铜。当他们测试脱合金铂铜催化剂的粘合性能时,他们发现它比其他情况下更具反应性。

为了找出原因,Strasser,Nilsson及其同事Mike Toney和Hirohito Ogasawara在斯坦福同步辐射光源的极其明亮的X射线光束下放置合金样品。通过研究如何从脱合金样品中散射X射线,他们能够创建金属内部结构的详细图片,揭示增加的反应性是由晶格应变引起的 - 这是铂原子排列被修改的现象。通过将表面铂原子压缩得更近,该过程使得铂原子与氧原子的结合稍微弱一点,并且更接近分子解离和催化结合之间的神奇平衡点。

“两个相邻原子之间的距离会影响它们的电子结构,”斯特拉瑟说。“通过改变原子间距离,我们可以控制它们形成键的强度。”

研究人员的下一步将是使用SSRL光束来仔细研究氧气和铂之间的反应,并确定可以采取哪些措施来提高工艺效率。最终目标是不仅为汽油发动机而且为小型电子设备中的电池创造潜在的替代品。

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