中外研究人員開發新催化劑 推進直接乙醇燃料電池發展

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蓋世汽車訊 據外媒報道，美國和中國的研究人員開發了一種催化劑，解決了直接乙醇燃料電池 (DEFC) 長期以來存在的三個關鍵問題：效率低、催化材料成本高以及電芯内的化學反應具有毒性。這為推廣由直接乙醇燃料電池驅動的清潔汽車開辟了道路。

（圖檔來源：俄勒岡州立大學）

由中佛羅裡達大學（University of Central Florida）、俄勒岡州立大學（Oregon State University）、匹茲堡大學（University of Pittsburgh）和中國深圳南方科技大學（Southern University of Science and Technology）的研究人員組成的團隊發現，将氟原子置入钯-氮-碳催化劑中具有諸多積極影響，包括使功率密集型電池保持穩定近6000小時。

最近，在許多“緩慢”的新興電催化系統中，局部配位環境（LCE）被證明在促進反應動力學方面發揮着重要作用。例如，高能直接乙醇燃料電池（DEFC）的廣泛應用，受到“緩慢的”12電子乙醇氧化反應（EOR）和4電子氧還原反應（ORR）的阻礙。

經典設計是通過在導電碳載體中嵌入金屬-氮（OM-N）活性基團來改善ORR動力學，進而形成M-N-C配位。其它雜原子（X=P，S，B等）也嵌入碳載體中，形成M-X-C配位，以改善ORR動力學，這極可能是通過原子間的協同作用來進行的。LCE被認為是低維催化劑的重要調節因素，如單原子位點催化劑，因其對LCE具有較高的靈敏度。然而，如何在大尺寸催化劑（即納米材料和商用材料）中實作LCE概念，這一根本問題仍未解決。EOR順利進行的前提條件是至少有三個連續的原子位點，這使調控LCE變得更難。

研究人員為此通過有效政策設計來調控LCE，并在M/X–C催化劑中建立催化M–X基團，在其中引入F配位，以削弱C-X鍵并驅動X原子至金屬位點。尤其是使用經典Pd/N–C作為模型催化劑來驗證概念，并探索潛在材料化學特性，因其對EOR和ORR具有雙重功能。據證明，對于調節其他Pd/X–C (X = P, S, B)和商用催化劑 (Pd/C和Pt/C)的LCE，這一政策也是有效和通用的。

研究人員正在籌集資金，以開發用于便攜式裝置和車輛的DEFC單元原型。如果成功的話，可以在五年内推出一款商業化裝置。

研究人員表示，第一輛由乙醇燃料電池驅動的汽車是在2007年開發的。然而，由于DEFC的效率低、催化劑成本，而且燃料電池内反應産生的一氧化碳可能導緻催化劑中毒，該類汽車的深入發展明顯滞後。為了解決這些問題，研究團隊開發了高性能钯合金催化劑，與目前的钯基催化劑相比，這種催化劑使用的貴金屬更少。

該團隊證明，在钯-氮-碳催化劑中引入氟原子，可以改變钯周圍的環境，進而提高電芯中兩類重要反應的活性和耐久性，包括乙醇氧化反應和氧還原反應。在阿貢進行的先進同步加速器X射線光譜表征表明，引入氟原子可以創造更富氮的钯表面，進而促進催化過程。通過抑制钯遷移和減少碳腐蝕，提高耐久性。