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编译服务: 能源情报网信息监测服务平台 编译者: guokm 编译时间: Dec 4, 2021 点击量: 26

盖世汽车讯 据外媒报道,美国和中国的研究人员开发了一种催化剂,解决了直接乙醇燃料电池 (DEFC) 长期以来存在的三个关键问题:效率低、催化材料成本高以及电芯内的化学反应具有毒性。这为推广由直接乙醇燃料电池驱动的清洁汽车开辟了道路。

(图片来源:俄勒冈州立大学)

由中佛罗里达大学(University of Central Florida)、俄勒冈州立大学(Oregon State University)、匹兹堡大学(University of Pittsburgh)和中国深圳南方科技大学(Southern University of Science and Technology)的研究人员组成的团队发现,将氟原子置入钯-氮-碳催化剂中具有诸多积极影响,包括使功率密集型电池保持稳定近6000小时。

最近,在许多“缓慢”的新兴电催化系统中,局部配位环境(LCE)被证明在促进反应动力学方面发挥着重要作用。例如,高能直接乙醇燃料电池(DEFC)的广泛应用,受到“缓慢的”12电子乙醇氧化反应(EOR)和4电子氧还原反应(ORR)的阻碍。

经典设计是通过在导电碳载体中嵌入金属-氮(OM-N)活性基团来改善ORR动力学,从而形成M-N-C配位。其它杂原子(X=P,S,B等)也嵌入碳载体中,形成M-X-C配位,以改善ORR动力学,这极可能是通过原子间的协同作用来进行的。LCE被认为是低维催化剂的重要调节因素,如单原子位点催化剂,因其对LCE具有较高的灵敏度。然而,如何在大尺寸催化剂(即纳米材料和商用材料)中实现LCE概念,这一根本问题仍未解决。EOR顺利进行的前提条件是至少有三个连续的原子位点,这使调控LCE变得更难。

研究人员为此通过有效策略设计来调控LCE,并在M/X–C催化剂中创建催化M–X基团,在其中引入F配位,以削弱C-X键并驱动X原子至金属位点。尤其是使用经典Pd/N–C作为模型催化剂来验证概念,并探索潜在材料化学特性,因其对EOR和ORR具有双重功能。据证明,对于调节其他Pd/X–C (X = P, S, B)和商用催化剂 (Pd/C和Pt/C)的LCE,这一策略也是有效和通用的。

研究人员正在筹集资金,以开发用于便携式设备和车辆的DEFC单元原型。如果成功的话,可以在五年内推出一款商业化设备。

研究人员表示,第一辆由乙醇燃料电池驱动的汽车是在2007年开发的。然而,由于DEFC的效率低、催化剂成本,而且燃料电池内反应产生的一氧化碳可能导致催化剂中毒,该类汽车的深入发展明显滞后。为了解决这些问题,研究团队开发了高性能钯合金催化剂,与目前的钯基催化剂相比,这种催化剂使用的贵金属更少。

该团队证明,在钯-氮-碳催化剂中引入氟原子,可以改变钯周围的环境,从而提高电芯中两类重要反应的活性和耐久性,包括乙醇氧化反应和氧还原反应。在阿贡进行的先进同步加速器X射线光谱表征表明,引入氟原子可以创造更富氮的钯表面,从而促进催化过程。通过抑制钯迁移和减少碳腐蚀,提高耐久性。

 

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