研究人员开发纳米级铂钴合金颗粒催化剂 可降低下一代燃料电池的成本

在下一代氢燃料电池中，铂是实现核心化学反应的关键催化剂。然而，这种贵金属的成本较高，阻碍了相关技术发展。据外媒报道，中国的研究人员设计了一种纳米级铂钴合金催化剂，可以大大减少铂的使用量，并实现同等甚至更好的性能。

（图片来源：sciencedirect）

在向清洁能源转型的过程中，氢燃料电池经常被用于难以实现电气化的领域，尤其是重型运输。但最常用的碱性燃料电池的体积很大，应用范围有限。作为下一代燃料电池，质子交换膜燃料电池（PEMFC）要紧凑得多。然而，在质子交换膜燃料电池的关键反应（氧还原反应，或ORR）中，需要使用昂贵的金属铂作为主要催化剂。据美国能源部数据，目前在燃料电池中，铂族金属催化剂占总成本的40%以上。

为了推广燃料电池技术，必须在不影响性能的情况下减少铂的使用量，或者采用其他替代催化剂材料。大量研究都集中在后一种方法上。研究人员尤其关注铂与钴的合金化，以减少实现相同结果所需使用的铂。因为各种铂钴合金具有更高的活性表面积，即在催化剂分子上发生相关化学反应的空间。然而，微调合金化程度，以实现最佳的ORR性能，仍是巨大的挑战。

因此，北京化工大学的向中华教授等研究人员使用二甲胺硼烷（DMAB）作为还原剂（在化学反应中向另一种物质提供电子的物质），合成了一种铂-钴-碳前体（可通过进一步反应得到目标化合物的化合物，在这里是铂-钴合金）。将该前驱体在氢气和氩气环境中加热到高温，以生成一种纳米级颗粒形式的铂钴合金，其中每三个铂原子对应一个钴原子。

这种独特的铂钴合金中的电子结构，使燃料电池电极的膜表面具有很高的活性。由此提高了燃料电池的性能，并实现了良好的稳定性。在燃料电池循环10,000次后，只出现了轻微的性能退化。对单个燃料电池的进一步测试表明，这种方法大大超过了美国能源部相关标准的要求。

研究人员希望，以后可以完全取代铂基催化剂。使用非贵金属催化剂，保持或提高电池的性能和长期稳定性。