新氫燃料催化劑不僅減少貴金屬用量,性能更勝美國能源部目標

作者 | 發布日期 2018 年 10 月 21 日 12:00 | 分類 奈米 , 材料、設備 , 能源科技 follow us in feedly

氫燃料電池具備發電效益高、副產品只有純水等優點,但由於電池催化劑昂貴,發展速度仍不及鋰離子電池,而近日美國布朗大學研發出新型合金催化劑,既能減少貴金屬使用量並降低成本,實驗結果也指出,不管是反應性還是耐用性,新型催化劑表現已超過美國能源部 2020 年的目標。



氫燃料電池發展歷史已超過 50 年以上,利用氫與氧的化學變化來產生電力,不會排放任何廢氣,「只會產生少量水」已成為廣告宣傳慣用語,然而氫燃料電池陽極多採用鉑催化劑,貴金屬材料讓氫燃料電池的成本居高不下。

雖然科學家也有想過要採用其他金屬或是合金催化劑,但合金催化劑耐用性實在是不高,論文第一作者 Junrui Li 表示,雖然合金催化劑一開始性能會比鉑還要好,但不久之後催化劑中的非貴金屬部分就會氧化且淋溶,造成電池迅速衰退。

因此為解決淋溶問題,布朗團隊打造一款具有特殊結構的合金奈米粒子,其中奈米粒子外殼由鉑製成,核心則是由交錯的鈷與鉑原子層打造。化學教授 Shouheng Sun 表示,這些都是提高催化劑反應性和耐用性的關鍵鑰匙。

奈米粒子核心的分層排列有助於降低外殼鉑晶格的粗糙度,並讓晶格排列更加緊密,Sun 指出,這不僅增加鉑的反應性,也可以保護鈷原子不會在反應中被吞噬,這便是為什麼新型催化劑的表現比傳統更好的原因。

為準確測試新型催化劑的性能,團隊不僅在實驗室測試新型催化劑的氧氣還原反應(ORR),研究員也把催化劑送到能源部洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL),讓催化劑可實際用於氫燃料電池。

研究員表示,實驗室評估對於催化劑研究固然重要,但那不一定能準確測出催化劑的實際表現,與實驗室環境相比,實際環境熱度與酸鹼性都不一樣,這兩個因素都會加速催化劑衰退。

而 LANL 測試結果也相當符合團隊的期望,新型催化劑的穩定性與耐用性甚至已超越能源部 2020 年設立的目標。

能源部設定電池在 30,000 循環後(相當於氫燃料車行駛 5 年),催化劑活性減幅只能從初始的每毫克 0.44 安培最低降至 0.26 安培。而布朗大學的催化劑擁有每毫克 0.56 安培的初始活性,30,000 循環後也只會降到 0.45 安培,因此團隊對於新研究非常有自信,並已申請臨時專利,希望可持續開發並最佳化研究,目前也已將研究發表在《Joule》。

(本文由 EnergyTrend 授權轉載;首圖右為合金奈米粒子,來源:布朗大學