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美国开发无铂催化剂可以促进氢燃料电池汽车的大规模商用

来源:网洛 时间:{inputtime}

用于GE氢燃料电池的铂催化剂成本高,限制了其在电动汽车上的商业化。因此,科学家们正在研究替代催化剂,以提高燃料电池的成本效益,同时保持氢燃料电池的效率。

(图片来源:阿贡国家实验室)

由于氢燃料电池具有高加氢速度、高能量密度和无有害排放物或副产品等优点,越来越多的研究人员将氢燃料电池用作汽车和其他用途的替代能源。

根据外国媒体的报道,美国能源部阿贡国家实验室(argonnenationall堕胎)最近开发了一种无铂燃料电池催化剂,一种可以加速重要燃料电池反应的化学物质。这项研究更深入地了解了使这种催化剂更有效的机制,并有助于生产更高效和成本效益更高的催化剂。

目前,商用氢燃料电池依赖氧化还原反应,氧分子分解成氧离子并与质子结合形成水。这种反应是整个燃料电池过程的一部分,可将空气中的氢和氧转化为水和电。奥尔反应相对缓慢,这限制了燃料电池的效率,需要大量铂催化剂。

目前,铂合金催化剂是燃料电池电极中最昂贵的部分。研究人员说。如果要大规模实现燃料电池车辆的可持续商业化,就需要大幅度减少铂的使用,或者用地球上丰富而廉价的材料(如铁)制成的催化剂来替代铂催化剂。

(图片来源:阿贡国家实验室)

奥尔反应中最有前途的无铂催化剂是铁、氮和碳。为了制造这种催化剂,科学家们混合了含有这三种元素的前驱体,并在900到1100摄氏度的温度下加热,即所谓的热解。

热解后,材料中的铁原子与四个氮原子结合,并嵌入石墨烯中,石墨烯是单个原子的一个厚碳层。每个铁原子构成一个活性中心,或一个可能发生反应的位置。材料中活性中心的密度越高,电极效率就越高。

研究人员在阿贡国家实验室的物质分析合作访问小组(物质分析合作访问小组)进行了一项现场x射线吸收光谱研究,以揭示该物质在热解过程中的原子行为。研究人员要求x射线穿过铁、氮和碳前体,以观察哪些元素以化学方式结合,以及如何结合。

科学家们发现,氮-石墨烯中心首先是在铁、氮和碳前驱体的混合物热解过程中形成的,然后将气态铁原子插入这些中心。他们还发现,通过使用掺杂过程,氮首先被插入碳中,然后铁在热解过程中被引入系统,而不是将这三种组分加热在一起,从而在催化剂中产生更致密的活性中心。

在此过程中,科学家将氮掺杂的碳放入炉内,将气态铁原子插入四个氮原子的空位形成活性中心。这种方法避免了铁原子在碳块中的积累和掩埋,增加了石墨烯表面活性中心的数目。

这项研究为科学家提供了一种方法来提高材料中活性部位的密度,该研究小组将继续为氢燃料电池开发更活跃和稳定的无铂催化剂。

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