新型铁基催化剂降低氢燃料电池成本

据国外媒体报道：研究表明，低成本的铁基催化剂可能是一种可行的铂基催化剂的替代品，由于铂太过昂贵，几十年来一直阻碍着氢燃料的商业化。

过去几十年，科学家们一直在寻找一种催化剂，可以显著降低制造氢燃料电池的成本。这样的进步可能会引发一场绿色能源革命。

布法罗大学领导的一项新研究表明，科学家正朝着这个目标迈进。近日发表在《自然能源》杂志上的一项研究中，科学家描述了铁如何与氮和碳结合，产生高效、持久和廉价的催化剂——这是美国能源部(DOE)确定的燃料电池研究的三个主要目标。

该研究的通讯作者吴刚表示：这是他们多年来的研究成果。他们相信这是一项重大突破，最终将有助于释放氢燃料电池的巨大潜力。

燃料电池的前景

长期以来，燃料电池一直吸引着科学家、环保人士等，因为与内燃机相比，它们的排放更低或有可能为零。它们可以被广泛应用为车辆、发电厂、建筑物和其他系统提供动力。

但燃料电池还没有被广泛商业化，原因之一是它们需要昂贵的催化剂，而催化剂可以加速燃料电池的催化反应。

最好的催化剂是由六种贵金属组成的家族——被称为铂族金属。虽然这些金属高效耐用，但它们极其稀有，非常昂贵。因此，科学家们正在寻找成本更低的替代品。

克服障碍

其中一种替代方案就是铁基催化剂。铁之所以吸引人，是因为它储量丰富，价格低廉。但它的性能不如铂，尤其是因为它缺乏耐久性，无法承受燃料电池内部的强腐蚀和高氧化环境。

吴刚表示：为了克服这一障碍，他们通过对局部几何和化学结构的精确原子控制将4个氮原子与铁原子结合在一起，随后将这种材料嵌入到石墨烯中。

改性后的催化剂具有如下特性:

被认为是迄今为止最有效的铁基催化剂，超过了能源部2025年的电流密度目标。

达到接近铂族催化剂的耐久性等级。

所有这些都表明了铁基催化剂在制造燃料电池，尤其是氢燃料电池方面的潜力，使其在商业用途上更便宜。研究人员正计划进行后续研究，以进一步改善这种催化剂。

文献参考：Liu, S., Li, C., Zachman, M.J. et al. Atomically dispersed iron sites with a nitrogen–carbon coating as highly active and durable oxygen reduction catalysts for fuel cells. Nat Energy (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01062-1