科學

科學家已經(jīng)確定了用于燃料電池的高活性但穩(wěn)定的催化劑，與現(xiàn)有裝置相比，燃料電池只含有四分之一的鉑。鉑是促進這些燃料電池反應的必要條件。然而，貴金屬是??稀有且昂貴的。鉑 - 鈷顆粒與不含貴金屬的載體之間的相互作用有助于改善性能。

影響

質子交換膜燃料電池(PEMFC)非常有效。它們代表了輕型和重型車輛的未來動力系統(tǒng)。從汽車工業(yè)中的內燃機到燃料電池的廣泛過渡需要較低的材料成本和改進的燃料電池性能。在該研究中鑒定的催化劑使用顯著更低量的鉑，因此降低了成本。新材料還超過了2025 DOE燃料電池性能目標。

摘要

協(xié)同催化劑的藝術表現(xiàn)，顯示在不含鉑族金屬的催化載體上的鉑 - 鈷納米顆粒(球體)中的核 - 殼活性位點(藍色)。降低催化劑中鉑含量的創(chuàng)新方法，同時保持鉑提供的高活性和穩(wěn)定性，引起了人們的極大興趣。目前，昂貴的金屬在催化PEMFC中的多個反應中起著至關重要的作用，包括氧氣分解形成水。美國能源部科學辦公室用戶設施阿貢國家實驗室納米材料中心(CNM)的科學家正在與阿貢，普渡大學和上海交通大學的科學家和工程師合作推進這項研究。在團隊創(chuàng)建催化劑之后，該團隊使用CNM在Argonne的高級光子源上使用CNM的像差校正，高分辨率透射電子顯微鏡和光譜功能對其進行了表征，并使用CNM碳，一種高性能計算集群進行建模。

該合成涉及將含鈷多孔金屬 - 有機骨架轉化為含有鈷，氮和碳的催化活性基質，所述基質由納米尺寸的金屬微晶修飾，然后添加鉑以形成具有核 - 殼結構的鉑 - 鈷納米顆粒。通過電子顯微鏡測量證實。與含有20%至30%鉑的商業(yè)燃料電池催化劑相比，這些催化劑僅含有約3%重量的鉑。該團隊評估了操作PEMFC條件下的催化劑性能。結果顯示催化活性顯著提高(值為1.08至1.77 A mg Pt -1，超過2025能量目標0.44 A mg Pt -1)和耐久性(在30,000次電壓循環(huán)后保持高達64%的初始值)。計算模型揭示了鉑 - 鈷納米顆粒和無PGM位點之間的相互作用有助于改進。

聯(lián)系

建國文

納米材料與阿貢國家實驗室中心

jwen@anl.gov ; (630)252-3254

Maria K. Chan

納米材料和阿貢國家實驗室中心

mchan@anl.gov ; (630)252-4811

劉迪嘉阿貢

國家實驗室

djliu@anl.gov ; (630)252-4511

資金

這項工作得到了能源部(DOE)燃料電池技術辦公室通過能源效率和可再生能源辦公室的支持; 美國能源部基礎能源科學，化學，生物和地球科學辦公室; 美國能源部科學研究生研究生課程; 中國國家重點研究發(fā)展計劃; 和中國國家自然科學基金會。這項工作部分在美國能源部科學辦公室用戶設施納米材料中心進行，并得到美國能源部科學辦公室的支持。使用先進光子源和國家能源研究科學計算中心，這兩個科學辦公室的用戶設施，得到能源部，科學辦公室，基礎能源科學辦公室的支持。