從 50 萬種材料選出 3 位生力軍,美盼提高氫燃料電池儲氫量

作者 | 發布日期 2019 年 04 月 09 日 13:40 | 分類 材料、設備 , 能源科技 , 電池 follow us in feedly


氫燃料電池是透過氫與氧的反應來產生電,因此如何提高電池的儲氫量可說是降低電池成本、擴大氫燃料電池車發展的關鍵之一,而目前美國密西根大學已在 50 萬種候選化合物中選出 3 名儲氫潛力者,未來有機會進一步提升氫燃料電池的成本效益比。

密西根大學看好金屬有機框架(metal-organic framework,MOF)結構的應用潛力,認為該結構是提高氫燃料電池能量密度以及電池續航里程的祕方,其中 MOF 是多孔材料界的新秀,能應用在碳捕捉、各式電池電極與催化劑。

MOF 是由無機金屬與有機配位體自組裝形成的架構,具有多孔性質與高比表面積,可以吸收大量的氣體,不同的組成材料更會有不同的物理或化學性質,但已知或可用或潛力 MOF 結構化合物有近 50 萬種,科學家如何在材料的茫茫大海中尋找合適化合物?

為了找出最合適材料,密西根大學採用高通量(High-throughput)電腦模擬運算來篩選材料,密西根大學團隊指出,電腦運算可以加速尋找材料的進度,高通量運算則能辨識出具有高儲存潛力的 MOF 化合物以及分析性能趨勢,科學家則能根據材料性能趨勢設計 MOF 結構。

團隊首先運用 Chahine rule 觀察 493,458 種 MOF 化合物在壓力與氣溫條件下的吸收氫的性能,再用大正蒙地卡羅(Grand Canonical Monte Carlo,GCMC)計算方法,想分析 43,777 種 MOF 候選者者的容量─性能趨勢。

最終密西根大學選中 3 名候選人,並實際製作 MOF 架構與加以測試,密西根大學材料工程助理教授 Don Siegel 表示,這些 MOF 的能量密度都比過去設計的都還要高,這讓未來科學家可以打造更小、更輕、容量則更高的電池。

目前該團隊已在《Nature Communications》期刊發表論文,這 3 款 MOF 也分別被團隊命名為 SNU-70、UMCM-9 和 PCN-610 / NU-100,儲氫容量皆已超越過去紀錄,不過密西根大學團隊還沒實際打造出新型氫燃料電池,尚不知新材料會為燃料電池帶來多少效益。

就好比電動車成本近四成為鋰離子電池一樣,氫燃料電池也可說是氫燃料車的心臟及主要成本所在,若該團隊成功打造出新一代氫燃料電池,將有助於降低氫燃料車的成本。

(首圖來源:密西根大學