无金属催化剂优于燃料电池中的铂

今天在线自然科学报告中详述的这一发现，是消除行业认为是燃料电池技术大规模商业化的最大障碍的一步。

燃料电池可以比内燃机更有效，静音，并且至少一种类型在尾管处产生零温室排放。十多年来，汽车和公共汽车制造商以及住宅和小型企业发电机制造商一直在测试和开发不同形式的燃料电池，但铂催化剂的高成本和低效率一直是阿基里斯的追随者。

“我们使用经济实惠且可扩展的工艺制造无金属催化剂，”凯斯西储大学的KentHaleSmith大分子科学与工程教授，该报告的作者之一LimingDai说。“催化剂比铂催化剂更稳定，耐受一氧化碳中毒和甲醇交叉。”

并且，在他们的初始测试中，涂有一种形式的催化剂的阴极-用碘化的石墨烯纳米粒子-证明在氧还原反应中更有效，产生比涂有铂产生的商业阴极多33%的电流。

该研究由韩国蔚山国家科学技术研究院绿色能源/低维碳材料中心跨学科主任Jong-BeomBaek领导。作者包括：来自蔚山的In-YupJeon，Hyun-JungChoi，MinChoi，Jeong-MinSeo，Sun-MinJung，Min-JungKim和NeojungPark;CaseWesternReserve的张晟;来自北德克萨斯州的张立鹏和夏镇海。

像电池一样，燃料电池将化学能转化为电能。它的工作原理是从燃料中除去电子，通常是氢或甲醇与水混合，在电池的阳极或正电极上产生电流。

然后产生的氢离子通过膜到达阴极或负电极。在这里，来自空气的氧分子通过添加电子而分裂和还原，并与氢离子结合形成水和热-这是唯一的副产物。

作者说，如果氢燃料电池和直接甲醇燃料电池成为化石燃料的现实替代品，那么需要比稀缺和昂贵的铂更好，更便宜的催化剂。

制造替代催化剂的技术建立在一个简单而廉价的工业过程之上，其中一些研究人员开发了用石墨制造石墨烯片。

研究人员在球磨机内部填充了钢球，将石墨分解成单层石墨烯纳米颗粒。当罐子转动时，它们注入氯气，溴气或碘气以产生不同的催化剂。

在每种情况下，气体分子沿着通过研磨产生的纳米片的锯齿形边缘替换碳原子。不仅边缘有利于与氧分子结合，而且两个氧原子之间的键强度减弱。氧键越弱，氧气越有效地降低并在阴极转化为水。

在测试中，涂有碘边缘纳米片的阴极表现最佳。涂有溴边缘纳米颗粒的阴极产生的电流比涂有铂的商业阴极少7%，氯边纳米片的电流减少40%。

在耐久性测试中，涂有纳米片的电极在10,000次循环后保持其初始电流的85.6%至87.4%，而铂电极仅保持62.5%。

加入一氧化碳以复制中毒，许多科学家将此归咎于阴极中铂的不良性能。石墨烯基催化剂的性能未受影响。

当加入甲醇以使甲醇在直接甲醇燃料电池中从阳极到阴极的交叉复制时，铂催化剂的电流密度急剧下降。同样，石墨烯基催化剂不受影响。

“这项初步研究证明，这种催化剂比铂金更有效，”Baek说。“我们现在正在努力优化材料。”

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