青岛能源所成功制备石墨炔基高效燃料电池阴极

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面临环境和能源方面的种种问题,新能源汽车产业获得了蓬勃发展。电动汽车有别于传统汽车的重要组件是其电池系统。其中,燃料电池采用氢气作为原料,产物为水,是一种污染少、能量转化效率高的理想电池系统。然而,面临大规模商业化,燃料电池在成本方面还具有较大的阻力,其主要表现在电池阴极需要大量的贵金属铂基催化剂。铂基材料价格昂贵,储量有限,大大阻碍了燃料电池的可持续性、大规模应用。因此,迫切需要制备一种性能优异、价格低廉、储量丰富的新型阴极催化剂以替代铂基催化剂。 针对以上问题,在中国科学院院士李玉良的指导下,中科院青岛生物能源与过程研究所研究员黄长水带领碳基材料与能源应用研究组设计了一种苯环中部分碳原子与氢相连的新型石墨炔基碳材料催化剂。该材料的设计和实现是在研究组前期成功合成与应用大量石墨炔基材料的基础上完成的。相关成果已发表于国际期刊《自然-通讯》(Nature Communications,2018, 9, 3376),并被选为Highlight工作。

  近日,我校材料学院程璇教授课题组分别在美国《Journal of Power Sources》杂志发表了题为“Fuel cell performances at optimized Nafion and Ru85Se15 loadings in cathode catalyst layer”以及在美国《International Journal of Hydrogen Energy》杂志发表了题为“Microwave assisted synthesis of high performance Ru85Se15/MWCNTs cathode catalysts for PEM fuel cell applications”的系列研究成果。该项研究先后得到福建省特种先进材料重点实验室和台湾元智大学燃料电池研究中心的长期支持,论文第一作者郑巧明为材料学院2009级博士研究生,在台湾交流学习期间获得台湾元智大学燃料电池研究中心奖学金资助。

据外媒报道,pH Matter是一家电化学应用新材料研发商,专精于燃料电池、电池及电解用合成碳材料。该公司目前获得了美国能源部的拨款,金额约为100多万美元,该笔资金被用于持续研发其COR-Cat高活性催化剂材料,该材料可供质子交换膜燃料电池使用。

得益于HsGDY的独特结构,在对其进行后处理过程中,碳基材料与能源应用研究组准确控制了氮的掺入类型,选择性掺入对燃料电池阴极电催化最有效的吡啶氮原子,从而实现了优异的催化性能。同时,HsGDY具有六边形的大孔,其分子孔径达1.63 nm,有利于催化反应过程中反应物和产物的传质。通过电化学测试发现,吡啶氮掺杂的HsGDY在碱性条件下表现出了优于商业碳载铂催化剂的超高活性。其在0.85 V电位下的电流密度为商业碳载铂催化剂的1.6倍,同时具有比碳载铂更好的稳定性和抗甲醇中毒能力。吡啶氮掺杂的HsGDY作为新型燃料电池阴极催化剂替代传统铂基催化剂,展现了巨大的潜力。这种通过碳材料结构设计,实现异原子的准确掺杂的方法,也为制备其他掺杂型纳米材料提供了新的思路。

  作为清洁能源的质子交换膜燃料电池,被认为是最有可能实现在汽车上应用的动力电源。但是质子交换膜燃料电池在商用化过程中,还面临很多尚未解决的技术难题,如成本、耐久性和可靠性等问题。其中,电化学催化剂主要采用铂基金属或合金,是燃料电池中最关键和最昂贵的材料之一,因此,高性能、低成本催化剂的研究和开发是燃料电池商业化的技术关键。目前提高燃料电池性能和寿命的核心问题在于如何提高催化剂在阴极的氧气还原反应中的催化性能,因为阳极的氢气氧化反应催化往往比阴极反应催化速度更高效。

在传统的PEM燃料电池中,为非电化学应用研发的炭黑材料被用于电极中。该材料具有导电性,提供的表面积可供散布铂催化剂。

该研究得到国家自然科学基金、中科院前沿重点项目、山东省自然科学基金的支持。

  为了降低催化剂的高额成本,增强催化剂的催化活性和稳定性,目前主要有以下方法:研究合成低量且高效的新型铂基催化剂,如铂簇,泡沫状铂,新型二十四面体纳米铂晶粒,金修饰铂或者多面的八面体结构;将铂金属与贵金属钯、金等合金化或者将铂金属与铁、钴、铜、镍和铬等过渡金属合金化,降低铂用量,提高铂基合金的催化效率;研究非铂合金催化剂,如RuSe化合物或非铂催化剂,如过渡金属硫化物、氧化物、碳化物和氮化物等。程璇教授课题组以RuSe化合物催化剂为研究重点,通过微波辅助合成法制备出颗粒分布均匀、高氧还原反应活性的纳米催化剂,在65oC和常压条件下获得了该类催化剂目前最好的单电池性能和催化剂利用率。该项研究是厦门大学福建省特种先进材料重点实验室和台湾元智大学燃料电池研究中心密切合作的成果。

pH Matter研发了一款多功能合成碳材料,其性能及耐用性性能均得到了优化,该款材料还能提升铂催化剂的性能。

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  《Journal of Power Sources》和《International Journal of Hydrogen Energy》是SDOL(ScienceDirect Online)数据库中的国际权威学术期刊,主要研究电化学能源体系与氢能领域的科学和技术问题,影响因子分别为4.283和4.053,均为JCR一区期刊中的Top期刊。

PEM燃料电池成本及使用寿命的关键之处在于:阴极材料的性能,催化剂层就更是如此了。在进行了3万次使用寿命及耐用性演示后,pH Matter的新催化剂材料的活性依然具有活性,非常适用于材料搬运、交通运输及固定电站的燃料电池应用。

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该项目为期两年,该公司与其用户及合作方开展合作,定制COR-Cat产品,可适用于单个应用规格,并提升材料量产。该笔资金是通过美国能源部下辖的小企业创新研究基金项目拨付的。

图:吡啶氮掺杂的石墨炔材料的电化学性能与反应过程

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