纳米级铂钴合金颗粒可降低下一代燃料电池的成本

贵金属铂是下一代更紧凑、高性能氢燃料电池核心化学反应的关键催化剂。但铂金的高成本阻碍了这项技术的广泛采用。

然而，研究人员已经设计出一种纳米级的铂钴合金用作催化剂，大大减少了实现相同甚至更好性能所需的铂金量。

12月15日发表在Particuology杂志上的是对这种新型铂钴电催化剂及其生产技术的描述。

对于那些难以使用电池技术实现电气化的经济领域，尤其是重型运输，清洁转型将需要氢燃料电池。不幸的是，最常用的燃料电池，即碱性燃料电池，仍然非常笨重，限制了它在航运和航空等空间非常宝贵的领域的应用。

下一代燃料电池，即质子交换膜燃料电池(PEMFC——有时称为聚合物电解质膜燃料电池)，要紧凑得多。

遗憾的是，用于PEMFCS(氧还原反应或ORR)关键反应的主要催化剂(有助于加速化学反应的物质)是稀有且昂贵的金属铂。铂金的高成本已经成为更广泛采用PEMFC的最大障碍之一。美国能源部数据显示，目前燃料电池中的铂族金属催化剂占其成本的40%以上。事实上，世界上一半的铂金产量都用于汽车工业。

“这意味着即使铂金的高成本限制了燃料电池在车辆中的采用，如果更广泛地采用，这只会加剧问题，因为这种稀有金属的需求会更大，因此价格也会更高，”该论文的作者、北京化工大学的电化学家向中华说。

因此，任何更广泛采用燃料电池技术的途径都必然涉及减少所需的铂金数量，要么将其换成其他催化剂材料，要么在不影响性能的情况下减少所需的铂金数量。

大量研究都集中在后一种方法上。研究人员特别关注铂与钴的合金化，实际上稀释了实现相同结果所需的铂量。其原因是各种铂钴合金具有更高的“活性表面积”——催化剂分子上可以发生相关化学反应的空间。

然而，微调合金化程度以实现最佳ORR性能仍然是一个巨大的挑战。

因此，Xiang教授使用二甲胺硼烷(DMAB)作为还原剂(一种将电子提供给另一种物质一个在化学反应中)。将该前驱体在氢气和氩气环境中加热至高温，以生产铂钴合金，其中每个钴原子包含三个铂原子，呈纳米级颗粒形式。

这种特殊的铂钴合金中的电子结构允许燃料电池中电极的膜表面具有大量活性。结果，燃料电池的性能得到提高并且燃料电池获得了极大的稳定性。在燃料电池循环10,000次后，性能仅出现轻微退化，证明了后者的好处。对单个燃料电池的进一步测试表明，他们的方法大大超出了美国能源部标准的要求。

在证明实现卓越PEMFC性能所需的铂量减少后，向教授现在想看看他是否可以通过使用非贵金属作为催化剂来完全替代铂基催化剂，同时再次保持或提高性能和长期稳定性。

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