氢燃料电池是一种利用氢气发电,只排出作为废物的水的发电机。人们希望这种高效的清洁能源系统将在氢经济的采用中发挥关键作用,取代汽车和卡车以及发电厂的内燃机和电池。
然而,铂的成本高达每公斤约3万美元,这是一个主要的限制,使得燃料电池催化剂昂贵得令人望而却步。高性能催化剂的生产方法也很复杂,在很大程度上受到限制。因此,开发一种简便且可扩展的铂基燃料电池催化剂生产方法是一项紧迫的挑战,同时提高催化性能和稳定性,同时使用最少的铂。
为了解决这一问题,韩国基础科学研究所(IBS)纳米颗粒研究中心(CNR)的研究小组发现了一种生产纳米催化剂的新方法。研究人员证明,这些均匀大小(3-4纳米)的钴铂(Co-Pt)合金纳米颗粒可以通过简单的热处理生产。该方法结合了浸渍法易于合成的特点,以及类似于胶体法对纳米晶体大小和形状的精确控制。
CNR-IBS团队开发的新型Co-Pt合金纳米催化剂由两个带相反电荷的金属配合物组成,特别是Co和Pt离子分别被联吡啶和氯配体包围。研究小组假设,一个简单的热处理会导致联吡啶配体热分解成一个碳壳,可以保护生长的Co-Pt合金纳米颗粒。在优化热处理条件后,他们成功地获得了高度均匀的纳米催化剂,其纳米颗粒尺寸仅为3-4纳米。
在该小组开发的纳米催化剂中,Co和Pt原子以一种被称为“金属间相”的规则方式排列,其中不稳定的Co原子被周围的Pt原子所稳定。此外,当氮被有效地掺杂到碳载体上时,离聚物(质子导体)均匀地分散在燃料电池的整个催化剂层上,这更好地促进了氧气向Co-Pt纳米催化剂表面的供应。
这些结构特征使质子交换膜燃料电池的功率性能大大提高,表现出5.9 kW/gPt的高比额定功率,大约是目前商用氢动力汽车性能的两倍。
研究人员表示:“设计一种新型双金属化合物作为前体材料是这项研究的关键起点。我们开发了一种平台技术,通过简单和可扩展的方法生产复杂形式的合金纳米催化剂,最终在使用较少铂的情况下实现了增强的燃料电池动力性能。”