研究人员利用铂与稀土元素开发合金催化剂 可以降低燃料电池的成本

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核心提示:要降低燃料电池的成本,关键在于找到更好的催化剂。

盖世汽车讯 据外媒报道,《纳米研究》(Nano Research)杂志上发表上一篇论文显示,研究人员设计了一种方法,将高成本的铂和低成本的稀土元素镧结合为合金,用作下一代燃料电池的催化剂。这将有助于提高电池性能并降低成本,使重型运输车辆(不太适合使用电池)更容易脱碳。

燃料电池可以将氢的化学能转化为电能,为车辆和其他机器提供动力,所产生的副产物只有水和热量。要提高相关电化学反应的效率,从而降低燃料电池的成本,使其比使用化石燃料更具竞争力,关键在于找到更好的催化剂,即加速这些反应的材料。

在所有可能促成关键化学反应(氧还原反应或ORR)的“电催化剂”中,铂是迄今为止最好的。然而,铂是一种成本较高的稀有金属,使其在燃料电池(尤其是质子交换膜燃料电池)中的应用受到影响。更为严重的是,在具有高度腐蚀性的PEMFC环境中,这种电催化剂经过较少的循环次数就会迅速降解。

这篇论文的作者之一、中国科学院长春应用化学研究所的电化学家朱思远表示:“研究人员致力于寻找一种低成本、更耐降解的电催化剂,以在更长的时间内保持稳定,提供卓越的电流密度。”

为了降低电催化剂成本,研究人员主要考虑将铂与其他成本更低的金属合金化,以减少铂的使用量,同时协助甚至提高铂的催化性能。到目前为止,与铂合金化的主要选项是后过渡金属(late transition metal),即在元素周期表中位于过渡金属(其左)和准金属(其右侧)之间的金属。然而,在恶劣、腐蚀性的PEMFC环境中,已证明后过渡金属也会溶解。这不仅导致电池性能持续下降,而且溶解的金属会进一步与氧还原反应的副产物发生反应,对整个系统造成不可控的损害。

使用前期过渡金属(early transition metal,元素周期表中第3副族至第7副族中的所有过渡金属元素,包括镧系和锕系元素),如钇和钪,则要稳定得多。理论计算表明,到目前为止,铂和这两种前期过渡金属形成的合金是最稳定的。

在前期过渡金属中,稀土元素一直未得到足够重视。实际上,稀土元素在地壳中很常见,对提升催化剂的电化学活性非常有利。因此,使用稀土元素与铂构成合金,问题不在于成本,而是其在酸性介质中的导电性和溶解度较差。

研究人员为此设计了一种方法,利用铂和稀土元素镧来制备合金。这项技术只需两步即可完成。首先,研究人员获得现成的镧盐和苯三甲酸(trimesic acid),使这两种前体材料自我组装成纳米“棒”。然后,在900°C下用铂来浸渍这些纳米棒。高温可以确保这两种金属顺利完成合金化过程。

研究人员在燃料电池中进行压力测试,以验证所生成的铂-镧纳米颗粒的性能。结果显示,这种合金电催化剂超出预期值,即使经过3万次燃料电池循环后,仍具有优异的稳定性和活性。

研究人员希望,以后尝试使用其他稀土元素与铂构成合金,并测试其是否能超过镧的电催化性能。

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