科學家從原子層面進行研究 用金保護鉑催化劑

2020-09-17分类:汽車

蓋世汽車訊 作為節能環保型能源,聚合物電解質膜燃料電池(PEMFC)越來越受到關注。但是,由於受到材料的效能限制,這種電池還末實現大規模商業化應用。據外媒報道,美國能源部阿貢國家實驗室的科學家們帶領團隊研究PEMFC電池的反應,以開發燃料電池技術,進一步發揮其市場潛力。

阿貢國家實驗室

阿貢PEMFC電池以氫為燃料,在電池負極透過氫氧化反應來氧化氫,而空氣中的氧在正極被用於氧還原反應。燃料電池透過此類過程產生電能,為汽車和其他應用中的電動機提供動力,而唯一的副產品就是所排出的水。在燃料電池中,基於鉑的奈米顆粒是最有效的促進反應的材料,包括正極的氧還原反應(ORR)。然而,除了成本昂貴之外,鉑奈米顆粒還會逐漸降解,尤其是在正極,這會影響催化效能,並縮短燃料電池的壽命。

研究團隊採用新方法,從原子和分子層面上研究鉑的溶解過程,確定正極氧還原過程中的降解機理,並以此指導設計奈米催化劑,使用金來消除鉑的溶解。阿貢材料科學部的資深科學家Vojislav Stamenkovic表示:“在燃料電池中的高腐蝕性環境下,鉑會在原子和分子層面上發生溶解。這會影響燃料電池的長期執行,為燃料電池在運輸領域的應用帶來障礙,特別是在重型汽車應用領域,如長途卡車。”

科學家們採用一系列定製表徵工具,研究在單晶表面、薄膜和奈米顆粒中界限清晰的鉑結構的溶解。主要研究人員Pietro Papa Lopes表示:“我們開發了原子層面觀察能力,以瞭解溶解機制,並確定溶解發生的條件。然後,我們將這些知識應用至材料設計中,以減少溶解並增加耐久性。”

該團隊使用表面專用工具、電化學方法、電感耦合等離子質譜、計算模型和原子力、掃描隧道和高解析度透射顯微鏡,從基本層面上研究溶解的本質。此外,科學家們透過高精度合成方法,建立具有明確物理和化學性質的結構,將在2D表面研究中發現的結構和穩定性的關係,應用至他們生產的3D奈米顆粒上。Lopes說:“我們從單晶到薄膜、再到奈米顆粒進行研究。這些研究向我們展示如何合成鉑催化劑,提高耐久性。透過研究不同的材料,我們也發現了用金保護鉑的策略。”

科學家們透過觀察在幾個試驗場景中發生的溶解現象,揭示溶解的本質。觀察發現,可以透過新增金來減緩溶解程序。研究人員利用美國能源部科學使用者設施辦公室(阿貢奈米材料中心和橡樹嶺國家實驗室的奈米材料科學中心)的透射電子顯微鏡設施,對合成後及操作前後的鉑奈米粒子進行成像。科學家們利用這項技術,比較奈米顆粒在加入和不加入金的情況下的穩定性。

研究小組發現,在核心位置有控制地置入金,可以促進鉑在最佳表面結構中的排列,從而保證高穩定性。此外,金被選擇性地沉積在表面,以保護研究小組認定特別容易溶解的位置。透過這種策略,使鉑原子附著在仍能有效催化ORR的位點上,即使是本研究中使用的最小奈米顆粒,也可以避免發生鉑溶解。

該團隊還在開發預測老化的演算法,以評估鉑基奈米顆粒的耐久性。他們發現,與不含金的奈米顆粒相比,鉑基奈米顆粒的耐久性提高了30倍。

标签:#資訊

可能感興趣