韓國(guó)新型燃料電池催化劑減少生產(chǎn)成本10%

蔚山國(guó)立科技研究所(UNIST)、韓國(guó)能源研究所(KIER)和美國(guó)Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的三個(gè)機(jī)構(gòu)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一組新的基于“有序排列、孔狀、卟啉碳原子（M-OMPC）”的不含貴金屬的燃料電池催化劑，它表面積大，其孔狀結(jié)構(gòu)還可以人為調(diào)節(jié)。

這種催化劑在氧還原反應(yīng)方面的性能超過(guò)金屬鉑，對(duì)于燃料電池非常重要，但是生產(chǎn)成本僅為鉑的10%。該研究結(jié)果將進(jìn)一步降低燃料電池的價(jià)格，這對(duì)于燃料電池汽車的推廣具有關(guān)鍵作用。

燃料電池的優(yōu)點(diǎn)很多：它們工作效率高、環(huán)境污染小，廣泛適用于汽車、小型汽電器、家庭發(fā)電裝置。長(zhǎng)期以來(lái)，燃料電池主要采用位于陽(yáng)極和陰極的碳納米管載鉑基催化劑。但是鉑基催化劑在陰極上的性能較差，不利于氧還原反應(yīng)進(jìn)行。另外，鉑基催化劑容易在長(zhǎng)期使用后燒結(jié)成塊，造成催化劑失效。金屬鉑的高價(jià)格、低存量也進(jìn)一步限制了燃料電池的普及。所以，由此催生了一種低價(jià)格、高性能、無(wú)貴金屬的新型催化劑。

該款新研發(fā)的材料源自“有序排列、孔狀、二氧化硅（OMS）模板”，加入金屬卟啉前體后，經(jīng)過(guò)納米鑄造而成。它們的卟啉碳原子具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

其優(yōu)勢(shì)有：

1. 在實(shí)驗(yàn)室條件下，其合成路線簡(jiǎn)單可靠

2. 通過(guò)改變OMS模板，M-OMPC的孔狀結(jié)構(gòu)的尺寸和連接狀態(tài)可以人為調(diào)節(jié)

3. 使用合適的方法，每次都能夠制取較大量的M-OMPC催化劑，每次可達(dá)10g的重量級(jí)別

4. 分層良好的、具有納米級(jí)孔結(jié)構(gòu)的M-OMPC可以提升燃料和副產(chǎn)物的運(yùn)輸效率

在一系列M-OMPC催化劑中，摻有鐵和鈷的FeCo-OMPC表現(xiàn)出了極高的酸性條件下的催化氧還原反應(yīng)的能力。它不但是非貴金屬催化劑中性能最好的，而且在0.9V電壓的條件下，它的性能甚至還超過(guò)了常規(guī)的鉑/碳催化劑80%以上。另外，相比鉑/碳催化劑，F(xiàn)eCo-OMPC還表現(xiàn)出了優(yōu)秀的耐久性能和甲醇抵抗力。這首先因?yàn)镕eCo-OMPC比較難于和氧氣發(fā)生反應(yīng)，也因?yàn)樵摯呋瘎┚哂懈蟮谋砻娣e。

為了評(píng)估FeCo-OMPC催化劑的耐久性，小組使用0.6V和1.0V之間的工作電壓，循環(huán)一萬(wàn)次進(jìn)行試驗(yàn)。

他們通過(guò)分析電壓變動(dòng)量和電流密度發(fā)現(xiàn)：FeCo-OMPC催化劑表現(xiàn)出了超過(guò)鉑/碳催化劑的優(yōu)秀的耐久性能和更好的抗失效性能。詳見(jiàn)下圖。

圖1：一萬(wàn)次工作前后，常規(guī)鉑催化劑和FeCo-OMPC催化劑的工作曲線比較

圖2：鉑/碳催化劑和FeCo-OMPC催化劑在一萬(wàn)次工作前后的產(chǎn)生電流的對(duì)比

研究者說(shuō)，近些年來(lái)，氧還原反應(yīng)催化劑的進(jìn)展很快。舉例來(lái)說(shuō)，鉛鋁內(nèi)核加單層鉑外層的納米顆粒、鉑-鈷化合物的納米顆粒、和介孔結(jié)構(gòu)鉑鎳薄膜等，都具有在酸性介質(zhì)中出色的催化能力。他們認(rèn)為，和以上新型催化劑一樣，M-OMPC也是很有希望的，將來(lái)還可以應(yīng)用于諸如金屬-空氣電池、電解器等的其他的電催化反應(yīng)中。

5. M-OMPC催化劑的表面積大，可以提高催化反應(yīng)的有效接觸面積