鉑分解技術(shù)提高燃料電池中鉑利用率

通過使用加拿大光源中心(CLS)的同步加速器，研究人員發(fā)現(xiàn)，將昂貴的鉑金屬分解成納米粒子(甚或是單個原子)可制造出更低成本的燃料電池。

在麥克馬斯特大學(xué)、CLS同步加速器、巴拉德動力系統(tǒng)公司的通力合作下，研究人員開發(fā)出一種利用原子層沉積的新方法。這種表面科學(xué)技術(shù)可用于對化合物進(jìn)行沉積，創(chuàng)建單原子催化劑。

通常用作催化劑的鉑金屬是非常昂貴的，但其只有表面的原子可起作用。該技術(shù)已基本可以將鉑分解成“盡可能小”的部分，從而使其表面積得到最大化。

■蔣慶來

低溫燃料電池，如質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池，由于具有環(huán)境友好、快速啟動、無電解液流失、壽命長、功率密度和能量密度高等優(yōu)點，在電動汽車動力電源、移動電源、微型電源及小型發(fā)電裝置等方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

燃料電池的陰極氧還原反應(yīng)是燃料電池電催化反應(yīng)的速度控制步驟，燃料電池氧還原催化劑是燃料電池電催化研究的熱點之一。目前，含鉑催化劑是性能最好、使用最廣泛的低溫燃料電池氧還原催化劑，鉑金屬價格昂貴、資源緊缺制約低溫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程。

鉑催化劑具有比較大的表面積，具有很強的吸附性，通常用作催化劑的鉑金屬只有表面的原子可起作用，表面之下的其他原子不具有作為催化劑的功能，鉑的有效利用率只有10%至20%。通過減小鉑粒徑，增加鉑的比表面積，可大大提高每個鉑原子的使用效率。

近年來，由于催化劑和膜電極制備技術(shù)的進(jìn)步，Pt的使用量從10~50 g·m-2降低到了目前的1～10 g·m-2，催化劑中Pt的粒徑從約10 nm降低到現(xiàn)在的1~3 nm。據(jù)《科學(xué)報告》雜志報道，在麥克馬斯特大學(xué)、CLS同步加速器、巴拉德動力系統(tǒng)公司的通力合作下，研究人員開發(fā)出一種利用原子層沉積(ALD)的新方法，將昂貴的鉑金屬分解成納米粒子(平均粒徑1~2nm)并負(fù)載在石墨烯上，得到ALD Pt/GNS催化劑。采用該催化劑進(jìn)行甲醇催化氧化，與ETEK公司商品化的Pt/C催化劑相比，在同樣的鉑負(fù)載量情況下，可顯著減小其過電位，電流密度可達(dá)到其9.5倍，并能夠更好地抑制CO中毒，該技術(shù)將大大提高催化劑中鉑的利用率。

該研究成果提出了設(shè)計高活性下一代催化劑的新路徑，但距規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用尚有一系列的工程技術(shù)課題需解決。一是此類(亞)納米材料的比表面積非常大，表面活性很高，很容易團聚，以至難以加工和使用，且使用壽命難以保障，如何控制使得材料在加工和使用過程中不團聚將是一大課題;二是新催化劑材料可減少鉑的使用，加工成本也不容小視，如何降低催化劑材料的整體成本(包括原材料和加工成本)，真正讓燃料電池成本更低是接下來需要解決的重要課題之一。由此看來，該技術(shù)成果離真正商業(yè)化應(yīng)該還有一定的距離。

在探索含鉑催化劑新的制備方法和改進(jìn)原有的制備方法、探索低Pt催化劑體系的同時，開發(fā)低成本、高效的非Pt催化劑體系方面，研究者也進(jìn)行了大量而艱苦的努力，并取得了重要的研究成果。

例如，近期美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室科學(xué)家攜手，用碳(部分源于高溫過程產(chǎn)生的聚苯胺)、廉價的鐵和鈷研制出了一種新的非鉑基催化劑，將其應(yīng)用于氫燃料電池陰極氧還原。用鐵、鈷等廉價金屬取代比金更貴重的鉑，能夠從根本上解決催化劑原材料資源稀缺、成本高的問題，但與此同時非鉑催化劑的催化效率還有待提高。

期盼更多的研究成果能夠涌現(xiàn)出來，真正緩解目前低溫燃料電池面臨的成本高的問題，推動低溫燃料電池商業(yè)化進(jìn)程。