質(zhì)子交換膜燃料電池是一種可直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，是一種高效、溫和的清潔能源技術(shù)，在便攜式移動(dòng)電源和新能源汽車中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，目前高效且穩(wěn)定的氧還原催化劑都含有較多的貴金屬鉑，使質(zhì)子交換膜燃料電池成本居高不下，走進(jìn)市場(chǎng)“步履維艱”。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月4日，中科院院士、清華大學(xué)教授李亞棟團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授吳宇恩團(tuán)隊(duì)在《Chem》上發(fā)表綜述文章，聚焦如何通過(guò)納米工程降低質(zhì)子交換膜燃料電池催化劑的貴金屬含量，以及通過(guò)化學(xué)手段提升非貴金屬催化劑的活性和穩(wěn)定性，并梳理氧還原催化劑目前存在的問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展方向。
目前，貴金屬鉑的儲(chǔ)量十分有限，價(jià)格逐年上漲。根據(jù)美國(guó)能源局(DOE)發(fā)布的目標(biāo)，到2020年鉑用量應(yīng)降至0.125g/kw以下，長(zhǎng)期目標(biāo)是催化劑用量小于0.05g/kw。因此，如何在保證高活性和穩(wěn)定性的情況下，降低催化劑中的鉑含量，甚至實(shí)現(xiàn)無(wú)鉑或其他貴金屬的使用，已成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家所要攻克的難題之一。
論文第一作者、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生王瀟乾告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，對(duì)于含鉑催化劑來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵問(wèn)題首先是鉑含量低的催化劑合成工藝較為復(fù)雜，這會(huì)帶來(lái)附加成本，且“絕大部分含鉑催化劑，都還不能實(shí)現(xiàn)DOE2020年目標(biāo)。”
此外，大部分催化劑的性能都是在室溫的旋轉(zhuǎn)電極測(cè)試中評(píng)估，該方法雖然快捷廉價(jià)，但測(cè)出的性能與燃料電池的最終實(shí)際功能相差較大。“我們急需一種新型的、更加接近真實(shí)燃料電池運(yùn)行條件的評(píng)估催化劑的測(cè)試手段。”王瀟乾說(shuō)。
而非貴金屬催化劑最大的問(wèn)題則在于酸的耐受性。這是因?yàn)橘|(zhì)子交換膜燃料電池是在酸性環(huán)境下運(yùn)行的，目前也只有少量催化劑能在酸性條件下達(dá)到和商業(yè)Pt/C接近的水準(zhǔn)。
研究人員分析了納米非貴金屬催化劑和單原子催化劑，前者目前難以在酸性條件下表現(xiàn)出足夠高的活性和穩(wěn)定性，原因在于在酸性和高電位的共同作用下，鐵、鈷、鎳和銅等非貴金屬易被氧化，造成催化劑失活;而后者，如(Fe,Co)/N-C催化劑可在酸性環(huán)境中較長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)間保持活性，但背后機(jī)制尚不清楚。
李亞棟和吳宇恩團(tuán)隊(duì)在單原子非金屬催化劑有著多年的研究積累，研究人員告訴記者，未來(lái)，隨著更多大比表面積載體的開發(fā)和對(duì)載體與金屬之間相互作用的逐步理解，有望實(shí)現(xiàn)高負(fù)載的單原子催化劑。另外，明確電催化氧還原反應(yīng)在原子層面上的反應(yīng)機(jī)理，探究催化活性和催化劑結(jié)構(gòu)之間的“構(gòu)效關(guān)系”，以及尋找實(shí)現(xiàn)單原子催化劑大規(guī)模制備的技術(shù)手段等也是未來(lái)的研究方向。(韓揚(yáng)眉)
