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中科大合成铂金属间纳米颗粒催化剂 推动氢燃料电池应用

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58京牌 燃料电池具有高效率和环保特性,因此在燃料电池汽车(FCV)中得到越来越广泛的应用,如汽车、叉车、公共汽车和飞机等。然而,这种电池的催化剂生产成本高,使其大规模生产和应用受到阻碍。 

(图片来源:中科大)

燃料电池催化剂通常由铂或铂合金制成,将过渡金属薄层涂覆在多孔碳载体上。铂是一种理想的催化材料,能够有效抵抗酸性条件,并有效提高化学反应速度。然而,这种材料的储量有限,成本较高。因此,开发和筛选低铂含量、高催化活性的新型催化剂,是实现燃料电池商业化的迫切需要。

,中国科技大学(USTC)等机构的研究人员,通过高温硫锚定方式,成功合成小尺寸铂金属间纳米颗粒(i-NP)催化剂,其中铂载量超低,并具有高质量活性。研究人员还建立了i-NP库,包括46种铂纳米粒子(NPs),以筛选低成本、耐用的电极材料,并系统地探索i-NPs 的结构和活性关系。

i-NPs具有独特的原子有序特性,在许多化学反应中表现出卓越的催化性能,因此备受关注。然而,在合成i-NPs的高温环境中,不可避免会出现金属烧结现象,导致产生更大的晶粒。这会减少比表面积,并降低材料的催化活性,最终降低铂利用率,提高燃料电池的成本。

该研究团队利用铂和硫之间强劲的化学相互作用。在掺硫碳(S-C)载体上制备铂金属间化合物,以抑制NPs高温烧结,并获得平均尺寸<5nm的原子有序i-NPs。S-C载体具有良好的抗烧结性能,在1000℃高温退火后得到的Pt NPs平均直径仍小于5 nm。而经过同样的退火过程,商用炭黑载体上的Pt烧结严重。

为了利用这种抗烧结性能,研究人员在S-C载体上合成了46种小尺寸铂基i-NPs,并建立了i-NP库。具体的光谱表征结果,验证了Pt-S键之间的强化学相互作用。此外,X射线衍射(XRD)结果表明,库中的i-NP催化剂有序度高、尺寸小,与高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)的观察统计分析相一致。

研究负责人梁海伟教授表示:“基于i-NP库,可以系统性研究催化剂结构和性能之间的关系。样本数量充足,有助于我们筛选有效的催化剂,有望大幅降低燃料电池的成本。”研究人员筛选出i-NPs,并将其应用于质子交换膜燃料电池(PEMFCs)。在氧化还原反应中,这些催化剂表现出卓越的电催化性能。尤其是氢-空气PEMFC,尽管i-NPs的铂负载量比Pt/C低11.5倍,这些i-NP催化剂的正极仍表现出与Pt/C正极相当的性能。

这项研究为合成氢燃料电池用铂合金催化剂提供了一条通用途径。这种方法有望减少铂使用量,从而降低燃料电池成本。粱教授表示:“通过设计碳载体的多孔结构和表面功能,可以进一步提高燃料电池的效率,从而加快其从实验室向公众的转移。”

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