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氢燃料电池电催化剂简单介绍
2021/8/24 15:30:00

氢燃料电池的电堆中,电极上氢的氧化反应和氧的还原反应过程主要受催化剂控制。催化剂是影响氢燃料电池活化极化的主要因素,被视为氢燃料电池的关键材料,决定着氢燃料电池汽车的整车性能和使用经济性。催化剂选用需要考虑工作条件下的耐高温和抗腐蚀问题,常用的是担载型催化剂Pt/C(Pt纳米颗粒分散到碳粉载体上),但是Pt/C随着使用时间的延长存在Pt颗粒溶解、迁移、团聚现象,活性比表面积降低,难以满足碳载体的负载强度要求。Pt是贵金属,从商业化的角度看不宜继续作为常用催化剂成分,为了提高性能、减少用量,一般采取小粒径的Pt纳米化分散制备技术。然而,纳米Pt颗粒表面自由能高,碳载体与Pt纳米粒子之间是弱的物理相互作用;小粒径Pt颗粒会摆脱载体的束缚,迁移到较大的颗粒上被兼并而消失,大颗粒得以生存并继续增长;小粒径Pt颗粒更易发生氧化反应,以铂离子的形式扩散到大粒径铂颗粒表面而沉积,进而导致团聚。

为此,人们研制出了Pt与过渡金属合金催化剂、Pt核壳催化剂、Pt单原子层催化剂,这些催化剂最显著的变化是利用了Pt纳米颗粒在几何空间分布上的调整来减少Pt用量、提高Pt利用率,提高了质量比活性、面积比活性,增强了抗Pt溶解能力。通过碳载体掺杂氮、氧、硼等杂质原子,增强Pt颗粒与多种过渡金属(如Co、Ni、Mn、Fe、Cu等)的表面附着力,在提升耐久性的同时也利于增强含Pt催化剂的抗迁移及团聚能力。

为了进一步减少Pt用量,无Pt的单/多层过渡金属氧化物催化剂、纳米单/双金属催化剂、碳基可控掺杂原子催化剂、M-N-C纳米催化剂、石墨烯负载多相催化剂、纳米金属多孔框架催化剂等成为领域研究热点;但这些新型催化剂在氢燃料电池实际工况下的综合性能,如稳定性、耐腐蚀性、氧还原反应催化活性、质量比活性、面积比活性等,还需要继续验证。美国3M公司基于超薄层薄膜催化技术研制的Pt/Ir(Ta)催化剂,已实现在阴极、阳极平均低至0.09mg/cm2的铂用量,催化功率密度达到9.4kW/g(150kPa反应气压)、11.6kW/g(250kPa反应气压)。德国大众汽车集团牵头研制的PtCo/高表面积碳(HSC)也取得重要进展,催化功率密度、散热能力均超过了美国能源部制定的规划目标值(2016—2020年)。后续,减少铂基催化剂用量、提高功率密度(催化活性)及基于此目标的MEA优化制备,仍是降低氢燃料电池系统商用成本的重要途径。

上海攀业氢能源科技有限公司成立于2006年1月,致力于氢能电源产品的研发、生产和销售的高科技企业。作为国内燃料电池研发和生产者,攀业汇集了近20年的燃料电池领域的技术及开发经验,拥有一流的研发团队和自主研发的核心技术,公司是燃料电池产品与氢能源综合应用解决方案的供应商。

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