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寿命更长的催化剂,可改善燃料电池

发布日期: 2019-11-07
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UCLA和约翰霍普金斯大学的材料科学家通过将实验与计算机仿真研究相结合,在理解燃料电池的长期有效性方面取得了重大飞跃。 结果揭示了一种了解如何使燃料电池催化剂更耐用的新机制。

燃料电池将化学能转化为电能。 一种特殊类型的氢质子交换膜燃料电池(称为H2-PEMFC)具有取代内燃机的潜力,这种发动机可以为汽车提供清洁的替代动力,且不含碳排放和污染物。 这样的燃料电池使用容易获得的氢作为燃料,并且它们的唯yi排出物是水。

为了让燃料电池更好的工作需要催化剂来激发产生电能的化学反应。 尽管金属铂是该反应的理想催化剂,但其过高的成本使燃料电池无法成为竞争性替代品。 降低成本的一种方法是使用含铂量少得多的金属合金作为催化剂

在实验中,已证明铂与过渡金属(例如镍)合金化是非常有效的催化剂。 但是,由于燃料电池的内部也会腐蚀合金的原子表面结构,因此使用寿命不长。 根据美国能源部的目标,燃料电池系统应能持续运行8,000小时,但到目前为止,新的合金催化剂还没有达到5,000小时。

已证明在合金中引入第三种元素是提高铂合金催化剂耐久性的有效方法。 但是,增强耐用性的机制尚不清楚。
研究人员着手设计一种结合实验室实验和模拟的新方法,以原子级研究铂合金催化剂。 结果发表在《物质》杂志上,提供了对催化剂降解过程的重要见解。

在实验中,研究人员发现,将铜原子引入特殊形状的铂镍纳米颗粒中显示出耐久性,就催化剂的效率而言,其耐久性比不含铜的纳米颗粒高40%。 这些粒子是八面体形状的-想像成八边形菱形,让人联想到角色扮演游戏中使用的自定义骰子。

这些新的催化剂非常稳定-铂金-镍-铜颗粒中保留了更多的过渡金属,尽管可能会浸出它们。 并且,与铂镍合金和市售铂碳合金相比,它们在催化化学反应方面也更有效。

为了弄清楚为什么会发生这种情况,研究人员根据实验数据得出了一个模型,并进行了计算机模拟,重新创建了燃料运行时单个原子在纳米粒子内部的运动方式。

在看到他们对该过程的模拟后,他们的实验与他们的实验非常相似,他们发现,在合成过程中引入铜时,铂原子的分布会聚集在表面。 这很重要,因为表面是腐蚀性环境与催化剂接触的地方。 换句话说,那里的铂越多,产生的表面空位越少,从而改善了燃料电池的耐久性。
这项研究的主要研究人员是加州大学洛杉矶分校萨穆里理工学院材料科学与工程系教授Yu Huang。 黄和她的UCLA同事与约翰·霍普金斯大学的研究人员合作,由怀廷工程学院材料科学与工程学教授蒂姆·穆勒(Tim Mueller)领导。

加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系博士后,该研究的第yi作者之一Zipeng Zhao表示:“这是纳米粒子模拟被初始化为与实验的生长轨迹紧密匹配。”

作为催化剂设计和开发方面的领xian实验室,Huang的研究小组探索了纳米级的独特技术机遇,这种机遇可能会影响包括材料合成,催化,燃料电池和设备应用在内的多种技术。
 

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