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(shù)嶺國(guó)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(guó)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(guò)橡樹(shù)嶺國(guó)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(yáng)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(guò)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(guò)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(guó)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。