中國新型氫氣凈化催化劑可提升燃料電池耐用性

2019-02-06 05:22

OFweek氫能網(wǎng)訊：1月30日，《自然》雜志發(fā)表文章稱，來自中國的研究團隊已研發(fā)出一種新型催化劑，可解除氫燃料電池一氧化碳“中毒休克”危機。

該文章和研究成果由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)路軍嶺教授、韋世強教授、楊金龍教授等課題組合作完成，已通過《自然》雜志審核。

氫燃料電池汽車被視為新能源汽車領(lǐng)域的重要技術(shù)路徑之一，被世界各國寄予厚望。但燃料電池鉑電極的一氧化碳“中毒”問題長期以來一直困擾著燃料電池耐用性及綜合性能的再提升。

當(dāng)前，氫主要來源于甲醇和天然氣等碳?xì)浠衔锏恼羝卣退簹庾儞Q反應(yīng)，由此產(chǎn)生的氫通常含有0．5％至2％的一氧化碳雜質(zhì)氣體。燃料電池鉑電極容易被一氧化碳雜質(zhì)氣體“毒害”，導(dǎo)致電池性能下降和壽命縮短，嚴(yán)重阻礙氫燃料電池汽車推廣。

車載氫氣凈化或許是解決這一問題的可能行的方案，涉及氫內(nèi)一氧化碳優(yōu)先氧化。即在氫氣進入燃料電池之前，使氫氣中的一氧化碳雜質(zhì)氣體優(yōu)先和氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而避免一氧化碳雜質(zhì)氣體進入電池毒化電極。

但該方法需要催化劑在廣泛的低溫范圍內(nèi)對CO氧化具有活性和選擇性，以便在連續(xù)PEMFC操作期間有效去除一氧化碳。而現(xiàn)有催化劑只能在極窄的溫度范圍內(nèi)工作，導(dǎo)致氫燃料電池汽車無法在頻繁冷啟動期間得到有效保護，很難步入實用。

而中國研究團隊開發(fā)的氫氧化鐵新型催化劑為分離過渡金屬配合物沉積提供了新方法。

《自然》刊發(fā) 中國新型氫氣凈化催化劑可提升燃料電池耐用性

Fe1（OH）x－Pt單位點界面新型催化劑結(jié)構(gòu)模型示意圖。這里藍(lán)色、黃色、紅色、白色小球分別代表鉑、鐵、氧和氫原子，暗黃色的大球代表催化劑載體。

新催化劑，通過將原子級分散氫氧化鐵選擇性地沉積在二氧化硅負(fù)載的鉑（Pt）納米粒子上，通過PROX反應(yīng)，在198－380開爾文（約合－75℃至107℃）的寬溫度范圍內(nèi)，實現(xiàn)完全和100％的選擇性CO去除。

研究發(fā)現(xiàn)，該體系的質(zhì)量活性比在氧化鐵載體上由Pt組成的更常規(guī)催化劑高約30倍。原位X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)測量顯示大多數(shù)氫氧化鐵以Fe存在固定在Pt納米顆粒上的1（OH）x簇，密度泛函理論計算表明Fe 1（OH）x －Pt單個界面位點可以容易地與CO反應(yīng)并促進氧活化。

這意味著新型氫氧化鐵催化劑在去除一氧化碳的同時，可以延長電池壽命，拓寬電池使用溫度環(huán)境，使燃料電池在寒冬也能正常啟動，有利于氫能源汽車的民用推廣。

“這些發(fā)現(xiàn)可能會大大加速氫燃料電池汽車時代的到來。”路軍嶺教授表示：“我們的最終目標(biāo)是開發(fā)一種廉價的且具有高活性、高選擇性的一氧化碳優(yōu)先氧化催化劑，既可以提供機載燃料電池的全時保護，也可以為工廠高純氫氣制備提供有效手段。”