低成本燃料電池催化劑的新進(jìn)展

 據(jù)外媒報(bào)道，為了降低下一代車載燃料電池的成本，研究人員一直在尋找貴金屬（PGM）催化劑的替代物。洛斯阿莫斯（Los Alamos）和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究從新材料的確定到了解其原子層面的工作原理，對(duì)如何提高燃料電池的性能進(jìn)行了深入研究。研究成果已發(fā)表于科學(xué)雜志中。這一研究將從原子微觀結(jié)構(gòu)和功能角度對(duì)新型催化劑催化活性原理進(jìn)行深入解讀。

以Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室為首的研究團(tuán)隊(duì)在前人研究的基礎(chǔ)上成功合成了Pt貴金屬替代催化劑，試驗(yàn)表明替代催化劑與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)車用燃料電池PGM催化劑性能相當(dāng)。通過橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的先進(jìn)顯微鏡技術(shù)，研究人員成功觀察到了新型催化劑材料中的單原子活性位點(diǎn)，為非PGM材料的催化效率潛力提供了新的認(rèn)識(shí)。

Pt對(duì)燃料電池陽極的電催化氧化以及陰極的電催化還原都有一定的催化作用。在成功找到貴金屬催化劑替代材料后，對(duì)新催化材料催化過程的具體位置和反應(yīng)方式的研究成了新的挑戰(zhàn)。

本研究中研究的是Fe-C-N電催化劑，由兩種氮前驅(qū)物合成，形成的層孔結(jié)構(gòu)將大部分碳表面暴露于氧氣中。其性能十分接近貴金屬Pt催化劑，可以有效地提高燃料電池性能。借助于ORNL的像差校正掃描透射電子顯微鏡和電子能量損失光譜儀，研究人員觀察到了原子水平的ORR活性位點(diǎn)，F(xiàn)eN4。ORNL的研究人員認(rèn)為，隨著反應(yīng)活性位點(diǎn)的原子可視化進(jìn)展，他們正在縮小貴金屬替代催化劑與車用Pt催化劑的性能差距。此外，Los Alamos實(shí)驗(yàn)室通過計(jì)算機(jī)模擬成功預(yù)測(cè)了Fe-C-N電催化劑的高活性和FeN4活性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及可能的反應(yīng)途徑。

此項(xiàng)研究工作由美國能源部能源效率和可再生能源辦公室資助。顯微鏡等儀器由ORNL納米材料科學(xué)中心提供，計(jì)算等資源由Los Alamos實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)項(xiàng)目部提供。