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美國研發(fā)無鉑催化劑 可促使氫燃料動力鋰電池車實現(xiàn)大規(guī)模商用

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年08月30日  

氫燃料動力鋰電池中使用的鉑催化劑成本很高,限制了其在電動汽車汽車中的商業(yè)化。因此,科學(xué)家們正在研究替代性催化劑,以提高燃料動力鋰電池的成本效益,同時保持氫燃料動力鋰電池的高效率。


(:阿貢國家試驗室)


由于氫燃料動力鋰電池加氫速度快、能量密度高,而且不會出現(xiàn)有害的排放或副產(chǎn)品,越來越多的研究人員將其作為車輛和其他使用的替代能源。


據(jù)外媒報道,美國能源部(DOE)阿貢國家試驗室(ArgonneNationalLaboratory)最近研發(fā)了一款不使用鉑的燃料動力鋰電池催化劑,是一種可以加速緊要燃料動力鋰電池反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。該項研究對讓此類催化劑更高效的機制有了更好的見解,有助于加工出更高效、更具成本效益的催化劑。


目前商用氫燃料動力鋰電池都要依靠氧化還原反應(yīng)(ORR),該反應(yīng)會將氧分子分析成氧離子,并與質(zhì)子結(jié)合形成水。此類反應(yīng)是整個燃料動力鋰電池工藝的一部分,能夠?qū)⒖諝庵械臍浜脱蹀D(zhuǎn)化為水和電。ORR反應(yīng)相對緩慢,限制了燃料動力鋰電池的效率,而且要大量的鉑催化劑。


研究人員表示:“目前,氧化還原反應(yīng)由鉑合金催化劑促使,而鉑合金催化劑是燃料動力鋰電池電極中最昂貴的部分。倘若要大范圍實現(xiàn)燃料動力鋰電池汽車的可繼續(xù)商業(yè)化,就要大幅減少鉑的使用量,或者利用鐵等地球上儲量豐富且廉價的材料制成催化劑,以取代鉑催化劑。”


(:阿貢國家試驗室)


ORR反應(yīng)中最有前景的無鉑催化劑是以鐵、氮和碳為基礎(chǔ)制成的催化劑。為制造出此種催化劑,科學(xué)家們將含有此三種元素的前體混合在一起,并在900至1100攝氏度的高溫中對其加熱,稱為“熱解”。


熱解之后,該材料中的鐵原子會與四個氮原子結(jié)合,嵌入至單原子厚碳層-石墨烯中。每個鐵原子構(gòu)成一個活性位點,或是ORR反應(yīng)可能會發(fā)生的位點。該材料中的活性位點密度越大,電極的效率就越高。


研究人員在阿貢國家試驗室先進光子源(ApS)的材料分解協(xié)作訪問團隊(MR-CAT)進行了現(xiàn)場X射線吸收光譜研究,以揭示在熱解過程中,該材料的原子行為。研究人員讓X射線穿過鐵、氮和碳前體,觀察什么元素會以化學(xué)方式相結(jié)合,以及要怎么樣結(jié)合。


科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),在鐵、氮和碳前體混合物的熱解過程中,首先會形成氮-石墨烯位點,然后氣態(tài)鐵原子會插入此類位點。他們還發(fā)現(xiàn),通過利用摻雜工藝,首先將氮插入碳中,然后在熱解過程中將鐵引入該系統(tǒng),而不是將此三種成分一起加熱,就可以在催化劑中出現(xiàn)密度更高的活性位點。


在此過程中,科學(xué)家們將摻雜了氮的碳放入熔爐中,氣態(tài)鐵原子插入四個氮原子中心位的空位上,形成活性位點。此種辦法戒備了鐵原子在碳塊中集中和掩埋,新增了石墨烯表面活性位點的數(shù)量。


此次研究為科學(xué)家們供應(yīng)了一種提高材料活性位點密度的途徑,該小組將持續(xù)研發(fā)活性更強、更穩(wěn)定的無鉑催化劑,以用于氫燃料動力鋰電池。


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