华人科学家把氢燃料电池成本打下来了,新催化剂廉价高效还稳定

氢燃料电池生产成本总是居高不下?
其中一个重要原因是:铂催化剂成本太高。
那有没有可能,找到一种材料,廉价高效又稳定,从而完全摆脱对铂的依赖呢?
近日发表在Nature子刊上的一篇论文,宣布了一个重大进展:
基于氢氧化物交换膜燃料电池,合成了一种新型镍催化剂——Ni-H₂-NH3,用于电池阳极进行氢氧化反应,可以大大提高效率。
研究显示,电池的峰值功率密度可达到450mW/cm²,在这之前最好成绩是76mW/cm²,相比提升了近5倍。
研究者们,还是清一色中国面孔。
华人科学家把氢燃料电池成本打下来了,新催化剂廉价高效还稳定

什么是氢氧化物交换膜燃料电池(HEMFC)?
是一种碱性燃料电池(AFC),可在阳极使用非贵金属催化剂,所以制造成本低。
但并不是当今氢燃料电池车的商业首选。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)才是,比如丰田的Mirai车型就采用的这种。
为什么呢?
主要原因在于——这种氢氧化物交换膜燃料电池,现有的阳极催化剂虽然不需要贵金属铂,但在催化活性上远远不能满足需求。
华人科学家把氢燃料电池成本打下来了,新催化剂廉价高效还稳定

这篇发表在Nature子刊上的论文,合成了一种新型镍催化剂——Ni-H₂-NH3,比活性达到了70μA/cm²,在所有无铂催化剂中排名第一。
然而在此之前,最好的镍催化剂还不到40μA/cm²,差不多翻了一番。
比活性,指的是电化学表面积-归一化交换电流密度,即单位催化剂表面积上通过的电流,可以用来判断该催化剂的催化活性如何。
那么,这个催化剂为啥活性这么高?
首先,在390℃的混合气体(H₂/NH3/N2)中,热解镍基的金属有机骨架,得到催化剂Ni-H₂-NH3。
该催化剂由氮掺杂碳基的镍纳米颗粒组成。
值得注意的是,两年前作者也合成了类似的镍催化剂——Ni-H₂-2%,不过是在N2和H₂的混合气体中热解而得,没有NH3。
华人科学家把氢燃料电池成本打下来了,新催化剂廉价高效还稳定

一般情况下,降低金属镍的氢结合能(HBE),就能增加该催化剂的氢氧化反应活性。
该催化剂的镍纳米颗粒和碳载体上,电子间进行相互作用,从而使得氢结合能达到最理想值。
此外,降低氢氧化物结合能(OHBE)也能增加反应活性,但不是主导因素。
除了从热力学方面进行思考,过渡态势垒、界面电场、溶剂动力学这些因素也会影响到催化剂的反应活性。
既然它催化活性这么高,氢氧化物交换膜燃料电池表现如何呢?
首先来看电池的峰值功率密度(PDD)。
华人科学家把氢燃料电池成本打下来了,新催化剂廉价高效还稳定

说个直观的数据,如果是用铂作为阳极催化剂,电池的峰值功率密度可超过1300mW/cm²,但是在此之前,用上性能最好的无铂催化剂,峰值功率密度却只有76mW/cm²。
差距不是一点点大。
这篇论文报道的新型镍催化剂,阴极同样使用无铂催化剂的情况下,可以让电池的峰值功率密度达到450mW/cm²,相比原来提升了近5倍。
美国能源部(DOE)给它设立的目标就是——2030年电池峰值功率密度达到600mW/cm²,终极目标是超过1000mW/cm²。
距离目标越来越近了。
需要补充的是,当阴极使用铂金属催化剂时,电池的峰值功率密度能达到628mW/cm²。
华人科学家把氢燃料电池成本打下来了,新催化剂廉价高效还稳定

接下来看电池的耐久性如何。
在95℃的温度下,0.7V恒定电压,该电池在40小时后电流密度仅仅只下降了7%,证明这款新型镍催化剂在高温和强电流下,化学稳定性非常好。
以上种种说明,对于氢氧化物交换膜燃料电池来说,就算没有贵金属铂作为阳极催化剂,照样可以很高效稳定。
最重要的一点,如果催化活性提升上去了,将来就可以完全取代铂,从而大幅降低生产成本,向大规模商业化迈进。
相比贵金属铂,镍储量这么丰富,难道不香吗?
风水轮流转,或许不久的将来,质子交换膜燃料电池就要被赶下台了。
华人科学家把氢燃料电池成本打下来了,新催化剂廉价高效还稳定

一作是倪伟焱和王腾。
倪伟焱,高中毕业于九江市一中,2015年本科毕业于南开大学化学学院。
华人科学家把氢燃料电池成本打下来了,新催化剂廉价高效还稳定

2015年~2021年,在洛桑联邦理工学院取得化学硕士和博士学位,且博士就读期间,师从胡喜乐教授。
目前在多伦多大学念博士后,受到来自瑞士国家科学基金会(Swiss National Science Foundation, SNSF)的基金资助。
据公开资料显示,倪伟焱已发表12篇学术论文,最近的一篇论文,标题为《用于氢氧化反应的协同Pt-Ru-氮掺杂碳催化剂实现的低铂族金属负载氢氧化物交换膜燃料电池》。
王腾,高中毕业于新疆乌鲁木齐市第一中学,2013年本科毕业于北京大学化学与分子工程学院材料化学专业。
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2013年~2018年期间,博士就读于北京大学无机化学专业,在这期间,他在北京大学新能源与纳米材料实验室,师从李星国教授和郑捷教授。
该实验室的研究领域之一就是水分解和燃料电池电催化剂(氢析出、氧析出反应催化剂)。
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目前,王腾正在特拉华大学念博士后。
本文的通讯作者是胡喜乐和严玉山。
胡喜乐,是瑞士洛桑联邦理工学院化学科学与工程学院化学系教授,有机化学家。
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2000年,本科毕业于北京大学化学系,2000年~2004年期间,硕士和博士相继毕业于加利福尼亚大学化学系。
2005年~2007年,在加州理工学院念博士后。2007年~2012年,在洛桑联邦理工学院化学系担任助理教授,2013~2016年,担任该化学系副教授,2016年至今,担任教授。
胡喜乐教授小组主要研究目标是开发富含地球的元素制成的催化剂,将其用于与合成、能源和可持续性发展相关的化学转化。
严玉山,来自中国吉林,现为特拉华大学化学与生物分子工程系主任,国际著名的分子筛膜专家,近日当选为美国国家工程院院士。
华人科学家把氢燃料电池成本打下来了,新催化剂廉价高效还稳定

1988年获中国科学技术大学学士学位,1995年获美国加州理工学院工学硕士学位,1997年6月获美国加州理工学院化工系工学博士学位。
1996年至1998年任美国AlliedSignal公司Senior Staff Engineer和Project Leader。
1998年9月开始在美国加州大学河滨分校化学工程与环境工程系工作,任助理教。2002年7月任副教授,2005年7月晋升为教授。
2006年被美国加州大学授予大学学者(University Scholar)称号。2010年获得国际分子筛协会授予的唐纳德布瑞克奖。此外,其在燃料电池(膜与催化)领域也做了很多创新性研究,并获得美国能源部高级能源研究计划署OPEN 2009和OPEN 2012。

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