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有序催化剂推动燃料电池成本降低

2019/10/16 9:52:331514

据http://fuelcellsworks.com报道：康奈尔大学能源材料中心的一个研究团队成功合成出了富铂外壳包覆的有序铂-钴合金纳米粒子，表现出了更好的燃料电池催化活性。该成果有望将燃料电池催化剂成本削减至五分之一。

铂钴合金纳米粒子的电子显微镜图像显示，两种原子呈现出有序的晶格排列。图中下方一大一小两个颗粒有所重叠。黄色箭头指示出颗粒表面包裹着三个原子层的铂原子。在氢燃料电池中，阳极分解氢气为质子和电子，阴极将氧气与电池内外传导来的质子、电子合成水。目前的商业燃料电池主要以稀缺且昂贵的纯铂做催化剂，为降低成本，研究者们尝试各种合金化方式来降低铂用量。对催化反应的计算机模拟揭示：当铂原子排列有所收紧时，催化活性会相应提高。该研究团队开发了一种制备铂钴合金的新型化学工艺，并通过退火处理使其中杂乱排列的原子排列成有序结构。这种有序结构使得外层铂原子层受到晶格结构的牵引，相比纯铂原子排列更为紧密，这种收缩应力将反应活性显著提高。将这种直径约5纳米的颗粒分布于碳载体上，能使其发挥催化活性的表面积最大化。该团队已运用扫描隧道电子显微镜确认了该有序结构，并通过初步性能测试得出，该新型纳米粒子的催化活性比类似的无序内核的粒子高3.5倍，而比纯铂的高12倍以上。耐久性方面该新型催化剂也更为出色。纳米铂颗粒会由于被氧化或团聚，而使与燃料接触的表面积降低进而逐渐失活，新型催化剂经过测试电池的5000次启停循环后，其催化活性依然保持稳定，而类似的无序钴-铂核心纳米粒子的活性却迅速下降。性能和使用寿命的两方面的提高，或许使该新型催化剂的市场前景远超想象。