研究人員利用鉑與稀土元素開發(fā)合金催化劑 可以降低燃料電池的成本

據(jù)外媒報(bào)道，《納米研究》(nano research)雜志上發(fā)表上一篇論文顯示，研究人員設(shè)計(jì)了一種方法，將高成本的鉑和低成本的稀土元素鑭結(jié)合為合金，用作下一代燃料電池的催化劑。這將有助于提高電池性能并降低成本，使重型運(yùn)輸車輛(不太適合使用電池)更容易脫碳。

燃料電池可以將氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為車輛和其他機(jī)器提供動(dòng)力，所產(chǎn)生的副產(chǎn)物只有水和熱量。要提高相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)的效率，從而降低燃料電池的成本，使其比使用化石燃料更具競(jìng)爭(zhēng)力，關(guān)鍵在于找到更好的催化劑，即加速這些反應(yīng)的材料。

在所有可能促成關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)(氧還原反應(yīng)或orr)的“電催化劑”中，鉑是迄今為止最好的。然而，鉑是一種成本較高的稀有金屬，使其在燃料電池(尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池)中的應(yīng)用受到影響。更為嚴(yán)重的是，在具有高度腐蝕性的pemfc環(huán)境中，這種電催化劑經(jīng)過較少的循環(huán)次數(shù)就會(huì)迅速降解。

這篇論文的作者之一、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的電化學(xué)家朱思遠(yuǎn)表示：“研究人員致力于尋找一種低成本、更耐降解的電催化劑，以在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，提供卓越的電流密度。”

為了降低電催化劑成本，研究人員主要考慮將鉑與其他成本更低的金屬合金化，以減少鉑的使用量，同時(shí)協(xié)助甚至提高鉑的催化性能。到目前為止，與鉑合金化的主要選項(xiàng)是后過渡金屬(late transition metal)，即在元素周期表中位于過渡金屬(其左)和準(zhǔn)金屬(其右側(cè))之間的金屬。然而，在惡劣、腐蝕性的pemfc環(huán)境中，已證明后過渡金屬也會(huì)溶解。這不僅導(dǎo)致電池性能持續(xù)下降，而且溶解的金屬會(huì)進(jìn)一步與氧還原反應(yīng)的副產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成不可控的損害。

使用前期過渡金屬(early transition metal，元素周期表中第3副族至第7副族中的所有過渡金屬元素，包括鑭系和錒系元素)，如釔和鈧，則要穩(wěn)定得多。理論計(jì)算表明，到目前為止，鉑和這兩種前期過渡金屬形成的合金是最穩(wěn)定的。

在前期過渡金屬中，稀土元素一直未得到足夠重視。實(shí)際上，稀土元素在地殼中很常見，對(duì)提升催化劑的電化學(xué)活性非常有利。因此，使用稀土元素與鉑構(gòu)成合金，問題不在于成本，而是其在酸性介質(zhì)中的導(dǎo)電性和溶解度較差。

研究人員為此設(shè)計(jì)了一種方法，利用鉑和稀土元素鑭來制備合金。這項(xiàng)技術(shù)只需兩步即可完成。首先，研究人員獲得現(xiàn)成的鑭鹽和苯三甲酸(trimesic acid)，使這兩種前體材料自我組裝成納米“棒”。然后，在900°c下用鉑來浸漬這些納米棒。高溫可以確保這兩種金屬順利完成合金化過程。

研究人員在燃料電池中進(jìn)行壓力測(cè)試，以驗(yàn)證所生成的鉑-鑭納米顆粒的性能。結(jié)果顯示，這種合金電催化劑超出預(yù)期值，即使經(jīng)過3萬次燃料電池循環(huán)后，仍具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和活性。

研究人員希望，以后嘗試使用其他稀土元素與鉑構(gòu)成合金，并測(cè)試其是否能超過鑭的電催化性能。