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韩国研发单原子铂催化剂 可让燃料电池在700摄氏度高温下工作

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58京牌 与需要充电的二次电池不同,燃料电池是一种环保型发电系统,采用氢气作燃料,氧气作氧化剂,通过电化学反应直接发电。燃料电池的种类繁多,工作温度和电解质材料也不尽相同。采用陶瓷电解质制成的固体氧化物燃料电池(SOFC)正受到越来越多的关注,因为其能够在700摄氏度左右的高温下工作,也是在所有类型的燃料电池中效率最高的电池,还能够通过蒸汽分解产生氢气。为了实现该技术的商业化,需要进一步提升电池性能,研究人员将希望寄托在新型高温催化剂材料上。

(图片来源:KIST)

铂催化剂在燃料电池电极反应中表现出优异的性能,单原子铂催化剂因具独特性能而备受关注。不过,在高温下,铂原子不稳定,容易结块。因此,单原子铂催化剂仅可用于低温燃料电池,如用于氢动力汽车的聚合物电解质膜燃料电池。

,韩国国家科学技术研究院(KIST)能源材料研究中心的研究人员与汉阳大学研究人员合作研发出一种单原子铂催化剂,只需少量铂就可显著改善性能,而且可在高温下稳定运行。

在研究中,整个铂原子均匀分布,可单独发挥作用,即使在高温下也不会聚集在一起。实验表明,该催化剂可以使电极反应速率提高10倍以上,还可以在高达700摄氏度的高温下工作500小时以上,并将发电和制氢性能提高3至4倍,有望加速固体氧化物燃料电池(SOFC)的商业化。

该研究小组通过将铂原子与铈(Ce)氧化物纳米颗粒结合制成了单原子催化剂。每个铂原子都单独分散在氧化铈纳米颗粒表面,强大的化学键使铂原子即使在高温下,也能在很长一段时间内保持分散状态,还能让所有铂原子参与反应。这反过来又可以让其可以大幅度提高电极反应的速率,同时将铂的使用量减至最少。

(图片来源:KIST)

在制造过程中,先将一种含有铂和铈离子的溶液注入到SOFC 的电极中,并在燃料电池在高温下工作时合成催化剂。由于不需要任何特殊设备就可轻易将催化剂注入到电极中,因此,新研发的催化剂可以很容易地应用到现有的燃料电池制造过程中。

研究人员表示:“该研究所研发的催化剂采用简单的低成本工艺,可应用于各种固体氧化物燃料电池和高温电化学设备,有望加速研发新一代环保发电和能源存储设备。由于该单原子催化剂可以在700摄氏度及以上的高温下温度工作,其应用范围也得到大大扩展,包括可用于高温热化学反应和高温电化学反应。”

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