科學(xué)

科學(xué)家已經(jīng)確定了用于燃料電池的高活性但穩(wěn)定的催化劑，與現(xiàn)有裝置相比，燃料電池只含有四分之一的鉑。鉑是促進(jìn)這些燃料電池反應(yīng)的必要條件。然而，貴金屬是??稀有且昂貴的。鉑 - 鈷顆粒與不含貴金屬的載體之間的相互作用有助于改善性能。

影響

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)非常有效。它們代表了輕型和重型車輛的未來(lái)動(dòng)力系統(tǒng)。從汽車工業(yè)中的內(nèi)燃機(jī)到燃料電池的廣泛過(guò)渡需要較低的材料成本和改進(jìn)的燃料電池性能。在該研究中鑒定的催化劑使用顯著更低量的鉑，因此降低了成本。新材料還超過(guò)了2025 DOE燃料電池性能目標(biāo)。

摘要

協(xié)同催化劑的藝術(shù)表現(xiàn)，顯示在不含鉑族金屬的催化載體上的鉑 - 鈷納米顆粒(球體)中的核 - 殼活性位點(diǎn)(藍(lán)色)。降低催化劑中鉑含量的創(chuàng)新方法，同時(shí)保持鉑提供的高活性和穩(wěn)定性，引起了人們的極大興趣。目前，昂貴的金屬在催化PEMFC中的多個(gè)反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用，包括氧氣分解形成水。美國(guó)能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室納米材料中心(CNM)的科學(xué)家正在與阿貢，普渡大學(xué)和上海交通大學(xué)的科學(xué)家和工程師合作推進(jìn)這項(xiàng)研究。在團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建催化劑之后，該團(tuán)隊(duì)使用CNM在Argonne的高級(jí)光子源上使用CNM的像差校正，高分辨率透射電子顯微鏡和光譜功能對(duì)其進(jìn)行了表征，并使用CNM碳，一種高性能計(jì)算集群進(jìn)行建模。

該合成涉及將含鈷多孔金屬 - 有機(jī)骨架轉(zhuǎn)化為含有鈷，氮和碳的催化活性基質(zhì)，所述基質(zhì)由納米尺寸的金屬微晶修飾，然后添加鉑以形成具有核 - 殼結(jié)構(gòu)的鉑 - 鈷納米顆粒。通過(guò)電子顯微鏡測(cè)量證實(shí)。與含有20%至30%鉑的商業(yè)燃料電池催化劑相比，這些催化劑僅含有約3%重量的鉑。該團(tuán)隊(duì)評(píng)估了操作PEMFC條件下的催化劑性能。結(jié)果顯示催化活性顯著提高(值為1.08至1.77 A mg Pt -1，超過(guò)2025能量目標(biāo)0.44 A mg Pt -1)和耐久性(在30,000次電壓循環(huán)后保持高達(dá)64%的初始值)。計(jì)算模型揭示了鉑 - 鈷納米顆粒和無(wú)PGM位點(diǎn)之間的相互作用有助于改進(jìn)。

聯(lián)系

建國(guó)文

納米材料與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中心

jwen@anl.gov ; (630)252-3254

Maria K. Chan

納米材料和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中心

mchan@anl.gov ; (630)252-4811

劉迪嘉阿貢

國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

djliu@anl.gov ; (630)252-4511

資金

這項(xiàng)工作得到了能源部(DOE)燃料電池技術(shù)辦公室通過(guò)能源效率和可再生能源辦公室的支持; 美國(guó)能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)，化學(xué)，生物和地球科學(xué)辦公室; 美國(guó)能源部科學(xué)研究生研究生課程; 中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃; 和中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)。這項(xiàng)工作部分在美國(guó)能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施納米材料中心進(jìn)行，并得到美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的支持。使用先進(jìn)光子源和國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心，這兩個(gè)科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施，得到能源部，科學(xué)辦公室，基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室的支持。