瑞達(dá)新能源述研究者發(fā)現(xiàn)氫燃料電池用純鉑催化劑的替代物

發(fā)布時(shí)間:2024-10-22 閱讀:0 來源: 瑞達(dá)新能源

  研究者發(fā)現(xiàn)氫燃料電池用純鉑催化劑的替代物

  氫燃料電池是生產(chǎn)清潔和可再生能源的一種很有前途的技術(shù),但其陰極材料的成本和活性是商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。許多燃料電池需要昂貴的鉑基催化劑-啟動(dòng)和加速化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)-以幫助將可再生燃料轉(zhuǎn)化為電能。為了使氫燃料電池在商業(yè)上可行,科學(xué)家們正在尋找更廉價(jià)的催化劑,提供與純鉑同樣的效率。

  “像電池一樣,氫燃料電池將儲(chǔ)存的化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電能。不同之處在于,你使用的是一種可補(bǔ)充的燃料,所以原則上,‘電池’將永遠(yuǎn)存在,“美國(guó)能源部(DOE)科學(xué)用戶設(shè)施位于美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家同步光源II(NSLS-II)的科學(xué)家阿德里安·亨特(AdrianHunt)說?!皩ふ乙环N廉價(jià)有效的氫燃料電池催化劑基本上是使這項(xiàng)技術(shù)更加可行的圣杯?!?/p>

  在全世界范圍內(nèi)尋找燃料電池正極材料的過程中,阿克倫大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種合成催化劑的新方法-鉑和鎳-這些金屬可以形成八面體(八面)形狀的納米粒子。雖然科學(xué)家已經(jīng)確定這種催化劑是最有效的取代純鉑的催化劑之一,但他們尚未完全了解為什么它以八面體的形式生長(zhǎng)。為了更好地理解成長(zhǎng)過程,阿克倫大學(xué)的研究人員與多個(gè)機(jī)構(gòu)合作,包括布魯克海文及其NSLS-II。

  阿克倫大學(xué)(UniversityOfAkron)催化實(shí)驗(yàn)室的首席研究員彭振夢(mèng)(音)表示:“了解多面催化劑是如何形成的,對(duì)于建立其結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性和設(shè)計(jì)出更好的催化劑,具有關(guān)鍵作用。”“鉑鎳體系的增長(zhǎng)過程是相當(dāng)復(fù)雜的,因此我們與幾個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)體合作來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的尖端技術(shù)對(duì)這一研究課題的研究有很大幫助。“

  利用NSLS-Ⅱ的超亮X射線以及NSLS-Ⅱ原位和操縱性軟X射線光譜(IOS)光束線的先進(jìn)性能,研究人員實(shí)時(shí)揭示了催化劑生長(zhǎng)途徑的化學(xué)特征。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在“自然通訊”雜志上。

  “我們使用了一種名為環(huán)境壓力x射線光電子能譜(ap-xps)的研究技術(shù)來研究納米粒子在生長(zhǎng)反應(yīng)過程中的表面組成和化學(xué)狀態(tài),”IOS首席科學(xué)家、研究論文的共同作者伊拉德維卡納里瓦魯約(IradwikanariWaluyo)說?!霸谶@項(xiàng)技術(shù)中,我們用x射線照射一個(gè)樣品,這會(huì)導(dǎo)致電子釋放?!蓖ㄟ^分析這些電子的能量,我們可以區(qū)分樣品中的化學(xué)元素,以及它們的化學(xué)和氧化狀態(tài)?!?/p>

  亨特也是這篇論文的作者之一,他補(bǔ)充說:“這和陽光和我們的衣服相互作用的方式很相似。陽光大致是黃色的,但一旦照射到一個(gè)人的襯衫上,你就能分辨出這件襯衫是藍(lán)色的、紅色的還是綠色的。“

  科學(xué)家們不是用顏色,而是識(shí)別催化劑表面的化學(xué)信息,并將其與其內(nèi)部進(jìn)行比較。他們發(fā)現(xiàn),在生長(zhǎng)反應(yīng)中,金屬鉑首先形成并成為納米粒子的核心。然后,當(dāng)反應(yīng)溫度稍高時(shí),鉑幫助形成金屬鎳,金屬鎳隨后分離到納米粒子的表面。在生長(zhǎng)的最后階段,表面變成兩種金屬的大致相同的混合物。鉑和鎳之間的這種有趣的協(xié)同效應(yīng)在納米粒子八面體形狀的發(fā)展和反應(yīng)活性中起著重要的作用。

  “這些發(fā)現(xiàn)的好處是,鎳是一種廉價(jià)的材料,而鉑是昂貴的,”亨特說。“所以,如果納米粒子表面的鎳催化著反應(yīng),而這些納米粒子本身仍然比鉑本身更有活性,那么希望通過更多的研究,我們能夠找到添加鉑的最小量,并得到高活性,從而創(chuàng)造出更高成本效益的催化劑。”

  這些發(fā)現(xiàn)取決于iOS的先進(jìn)能力,在那里,研究人員能夠在比常規(guī)XPS實(shí)驗(yàn)通??赡艿母邭鈮合逻M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

  瓦魯約說:“在iOS系統(tǒng)中,我們能夠?qū)崟r(shí)跟蹤納米粒子的組成和化學(xué)狀態(tài)在實(shí)際生長(zhǎng)條件下的變化?!?/p>

  在美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源(APS)上完成的其他x射線和電子成像研究-另一項(xiàng)DOE科學(xué)用戶設(shè)施-和加利福尼亞大學(xué)歐文分校-分別補(bǔ)充了NSLS-II的工作。

  “這項(xiàng)基本工作突出了分離鎳在形成八面體型催化劑中的重要作用。我們對(duì)納米催化劑的形狀控制有了更深入的了解?!跋乱徊绞茄芯慷嗝婕{米粒子的催化性能,以了解其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的相關(guān)性。”

  這項(xiàng)研究得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和布魯克海文實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的研究和發(fā)展計(jì)劃的支持。在NSLS-II和APS的行動(dòng)得到能源部科學(xué)辦公室的支持.

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