合理设计可提高氢燃料电池效率

2013年01月27日 14:18:05 苏内容
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合理设计可提高氢燃料电池效率。氢燃料电池可以将氢燃料转化为电能,其应用潜力十分巨大,应用范围也十分广阔,特别是在交通运输和发电系统应用领域。目前氢燃料电池的应用规模还很小,想要扩大氢燃料电池的应用规模、实现产品的商业化生产还需要在两个关键领域对其进行改进,那就是氢燃料电池的工作效率和成本效益。在一份最新研究报告中,科学家们为氢燃料电池设计出一种三金属电催化剂,其催化性能要优于铂催化剂,在理论上可以改进上述这两个关键领域。

    目前,绝大多数氢燃料电池都是使用贵金属铂作为催化剂。寻找铂催化剂的替代物是一项十分严峻的挑战,因为只有少数材料能够耐受燃料电池的强酸性溶剂(可以溶解大多数过渡金属)。仅有铂、铱、金和钯四种元素可以抵抗酸性溶剂的腐蚀,但是所有这些金属都不是十分理想。铂和铱的储量稀少并且价格昂贵,而金和钯的氧化还原反应能力很差,其催化效果也不是十分理想。Stolbov和Alcántara Ortigoza的研究专注于提高金和钯的氧化还原反应能力,并且通过深入建模方法实现了这一目标。

    稳定、高活性氢燃料电池电催化剂合理设计的新概念在理论上提供了解决方案。根据实验数据显示:与使用数十种材料进行组合筛选的方法相比,该研究方法要更加高效。首次尝试使用这种方法进行研究时就成功的预测出两种低成本高活性的催化剂。过去高效催化剂的设计工作都是通过反复试验完成,也有少数研究工作是使用计算调查方法。通过合理设计方法,研究人员可以预测不同三金属催化剂的表现情况,例如催化剂表层结构/形态与电子结构之间的关系、催化剂的稳定性、热力学反应中间体以及反应动力学。

    通过使用这种方法,研究人员找到一种新型三明治结构设计方案。氧化还原反应发生在催化剂的第一层(M1)上,催化剂的第二层(M2)可以调谐第一层的电子机构,第三层(M3)结构则充当基质的角色。举例说明,研究人员使用金作为催化剂的第一层,使用钌作为第二层可以调谐金层,并且还可以增强其氧化还原反应能力。据研究人员预测,如果使用钯作为催化剂的第一层,那么可以使用铁作为调谐材料。钌和铁都不会与酸性溶剂发生反应,但仍有助于催化剂催化效率的提高。在上述两种情况之下,研究人员都是使用钨作为基质,不但可以增强催化剂性能,还可以扣紧中间层。

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三金属催化剂分层示意图

    研究人员的计算结果表明,与目前催化性能最好的铂催化剂相比,使用金和钯的三明治形催化剂的反应性要高得多,因此催化效率也要高得多。究竟这种催化剂的催化效率有多高还需要通过具体实验进行确定.

    研究人员十分希望能够通过实验验证他们的发现,目前他们正积极联系对这些材料感兴趣的实验师。使用这种催化剂设计方法,研究人员已经挑选出若干个三明治结构组合,这些都是极具前景的催化剂,也许能够从这些材料之中挑选出更好的催化剂。为了测试这种催化剂的合理性,研究人员将通过计算方法研究催化剂表面的电子结构、稳定性以及热力学反应中间体,之后寻找实验师测试这一极具前景的催化剂。研究人员研发的这种方法还可以从稳定结构研究延伸至非均相催化剂反应研究。

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