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    壽命更長的催化劑,可改善燃料電池

    發布日期: 2019-11-07
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    UCLA和約翰霍普金斯大學的材料科學家通過將實驗與計算機仿真研究相結合,在理解燃料電池的長期有效性方面取得了重大飛躍。 結果揭示了一種了解如何使燃料電池催化劑更耐用的新機制。

    燃料電池將化學能轉化為電能。 一種特殊類型的氫質子交換膜燃料電池(稱為H2-PEMFC)具有取代內燃機的潛力,這種發動機可以為汽車提供清潔的替代動力,且不含碳排放和污染物。 這樣的燃料電池使用容易獲得的氫作為燃料,并且它們的唯yi排出物是水。

    為了讓燃料電池更好的工作需要催化劑來激發產生電能的化學反應。 盡管金屬鉑是該反應的理想催化劑,但其過高的成本使燃料電池無法成為競爭性替代品。 降低成本的一種方法是使用含鉑量少得多的金屬合金作為催化劑

    在實驗中,已證明鉑與過渡金屬(例如鎳)合金化是非常有效的催化劑。 但是,由于燃料電池的內部也會腐蝕合金的原子表面結構,因此使用壽命不長。 根據美國能源部的目標,燃料電池系統應能持續運行8,000小時,但到目前為止,新的合金催化劑還沒有達到5,000小時。

    已證明在合金中引入第三種元素是提高鉑合金催化劑耐久性的有效方法。 但是,增強耐用性的機制尚不清楚。
    研究人員著手設計一種結合實驗室實驗和模擬的新方法,以原子級研究鉑合金催化劑。 結果發表在《物質》雜志上,提供了對催化劑降解過程的重要見解。

    在實驗中,研究人員發現,將銅原子引入特殊形狀的鉑鎳納米顆粒中顯示出耐久性,就催化劑的效率而言,其耐久性比不含銅的納米顆粒高40%。 這些粒子是八面體形狀的-想像成八邊形菱形,讓人聯想到角色扮演游戲中使用的自定義骰子。

    這些新的催化劑非常穩定-鉑金-鎳-銅顆粒中保留了更多的過渡金屬,盡管可能會浸出它們。 并且,與鉑鎳合金和市售鉑碳合金相比,它們在催化化學反應方面也更有效。

    為了弄清楚為什么會發生這種情況,研究人員根據實驗數據得出了一個模型,并進行了計算機模擬,重新創建了燃料運行時單個原子在納米粒子內部的運動方式。

    在看到他們對該過程的模擬后,他們的實驗與他們的實驗非常相似,他們發現,在合成過程中引入銅時,鉑原子的分布會聚集在表面。 這很重要,因為表面是腐蝕性環境與催化劑接觸的地方。 換句話說,那里的鉑越多,產生的表面空位越少,從而改善了燃料電池的耐久性。
    這項研究的主要研究人員是加州大學洛杉磯分校薩穆里理工學院材料科學與工程系教授Yu Huang。 黃和她的UCLA同事與約翰·霍普金斯大學的研究人員合作,由懷廷工程學院材料科學與工程學教授蒂姆·穆勒(Tim Mueller)領導。

    加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系博士后,該研究的第yi作者之一Zipeng Zhao表示:“這是納米粒子模擬被初始化為與實驗的生長軌跡緊密匹配。”

    作為催化劑設計和開發方面的領xian實驗室,Huang的研究小組探索了納米級的*技術機遇,這種機遇可能會影響包括材料合成,催化,燃料電池和設備應用在內的多種技術。
     

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