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氫燃料電池電催化劑簡(jiǎn)單介紹
2021/8/24 15:30:00

氫燃料電池的電堆中,電極上氫的氧化反應(yīng)和氧的還原反應(yīng)過(guò)程主要受催化劑控制。催化劑是影響氫燃料電池活化極化的主要因素,被視為氫燃料電池的關(guān)鍵材料,決定著氫燃料電池汽車(chē)的整車(chē)性能和使用經(jīng)濟(jì)性。催化劑選用需要考慮工作條件下的耐高溫和抗腐蝕問(wèn)題,常用的是擔(dān)載型催化劑Pt/C(Pt納米顆粒分散到碳粉載體上),但是Pt/C隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)存在Pt顆粒溶解、遷移、團(tuán)聚現(xiàn)象,活性比表面積降低,難以滿(mǎn)足碳載體的負(fù)載強(qiáng)度要求。Pt是貴金屬,從商業(yè)化的角度看不宜繼續(xù)作為常用催化劑成分,為了提高性能、減少用量,一般采取小粒徑的Pt納米化分散制備技術(shù)。然而,納米Pt顆粒表面自由能高,碳載體與Pt納米粒子之間是弱的物理相互作用;小粒徑Pt顆粒會(huì)擺脫載體的束縛,遷移到較大的顆粒上被兼并而消失,大顆粒得以生存并繼續(xù)增長(zhǎng);小粒徑Pt顆粒更易發(fā)生氧化反應(yīng),以鉑離子的形式擴(kuò)散到大粒徑鉑顆粒表面而沉積,進(jìn)而導(dǎo)致團(tuán)聚。

為此,人們研制出了Pt與過(guò)渡金屬合金催化劑、Pt核殼催化劑、Pt單原子層催化劑,這些催化劑最顯著的變化是利用了Pt納米顆粒在幾何空間分布上的調(diào)整來(lái)減少Pt用量、提高Pt利用率,提高了質(zhì)量比活性、面積比活性,增強(qiáng)了抗Pt溶解能力。通過(guò)碳載體摻雜氮、氧、硼等雜質(zhì)原子,增強(qiáng)Pt顆粒與多種過(guò)渡金屬(如Co、Ni、Mn、Fe、Cu等)的表面附著力,在提升耐久性的同時(shí)也利于增強(qiáng)含Pt催化劑的抗遷移及團(tuán)聚能力。

為了進(jìn)一步減少Pt用量,無(wú)Pt的單/多層過(guò)渡金屬氧化物催化劑、納米單/雙金屬催化劑、碳基可控?fù)诫s原子催化劑、M-N-C納米催化劑、石墨烯負(fù)載多相催化劑、納米金屬多孔框架催化劑等成為領(lǐng)域研究熱點(diǎn);但這些新型催化劑在氫燃料電池實(shí)際工況下的綜合性能,如穩(wěn)定性、耐腐蝕性、氧還原反應(yīng)催化活性、質(zhì)量比活性、面積比活性等,還需要繼續(xù)驗(yàn)證。美國(guó)3M公司基于超薄層薄膜催化技術(shù)研制的Pt/Ir(Ta)催化劑,已實(shí)現(xiàn)在陰極、陽(yáng)極平均低至0.09mg/cm2的鉑用量,催化功率密度達(dá)到9.4kW/g(150kPa反應(yīng)氣壓)、11.6kW/g(250kPa反應(yīng)氣壓)。德國(guó)大眾汽車(chē)集團(tuán)牽頭研制的PtCo/高表面積碳(HSC)也取得重要進(jìn)展,催化功率密度、散熱能力均超過(guò)了美國(guó)能源部制定的規(guī)劃目標(biāo)值(2016—2020年)。后續(xù),減少鉑基催化劑用量、提高功率密度(催化活性)及基于此目標(biāo)的MEA優(yōu)化制備,仍是降低氫燃料電池系統(tǒng)商用成本的重要途徑。

上海攀業(yè)氫能源科技有限公司成立于2006年1月,致力于氫能電源產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售的高科技企業(yè)。作為國(guó)內(nèi)燃料電池研發(fā)和生產(chǎn)者,攀業(yè)匯集了近20年的燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)及開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn),擁有一流的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和自主研發(fā)的核心技術(shù),公司是燃料電池產(chǎn)品與氫能源綜合應(yīng)用解決方案的供應(yīng)商。

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