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康奈爾化學(xué)家發(fā)現(xiàn)過渡金屬氮化物催化劑以用于堿性燃料電池

時間:2022-02-08 09:11來源:蓋世汽車作者:劉麗婷

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據(jù)外媒報道，康奈爾大學(xué)（Cornell University）化學(xué)家稱發(fā)現(xiàn)一類非貴金屬衍生物——過渡金屬氮化物（TMN），可以催化堿性燃料電池中的氧還原反應(yīng)（ORR），但成本與鉑相近。該研究康奈爾大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)系Émile M. Chamot教授 Héctor D. Abruña領(lǐng)導(dǎo)，并發(fā)表于期刊《Science Advances》。

（圖片來源：期刊《Science Advances》）

與內(nèi)燃機相比，氫燃料電池具有更高的整體能源效率和潛在的零碳排放，因此在未來汽車運輸領(lǐng)域具有很大前景。然而，目前加速質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）中的緩慢氧還原反應(yīng)（ORR）普遍采用昂貴的鉑（和其他貴金屬），使得氫燃料電池?zé)o法在電動汽車被廣泛應(yīng)用。盡管目前已有大量研究采用合金化和納米結(jié)構(gòu)來最大限度地減少鉑的使用，并提高其內(nèi)在活性，但用非貴金屬或氧化物代替鉑更具前景。

與催化劑占燃料電池堆成本約40%的PEMFC相比，陰離子交換膜燃料電池（AEMFC）的主要優(yōu)勢在于它們能夠憑借堿性電解質(zhì)中催化劑高穩(wěn)定性，以使用基于非貴重過渡金屬的ORR催化劑。為了促進堿性介質(zhì)中的ORR動力學(xué)，研究人員已對非貴重催化劑進行了大量研究，包括金屬-氮-碳、過渡金屬氧化物和鈣鈦礦。特別是過渡金屬氧化物，如鈷錳尖晶石氧化物，在膜電極組件（MEA）中表現(xiàn)出超過1 W cm-2的功率密度。然而這些半導(dǎo)體尖晶石氧化物的低固有電導(dǎo)率阻礙了其ORR活性的進一步改進。

理想的ORR電催化劑應(yīng)具有負責(zé)催化ORR過程的活性表面和促進電荷轉(zhuǎn)移的導(dǎo)電體。因此，開發(fā)導(dǎo)電非貴金屬催化劑代表著一種可行且有吸引力的方法，以規(guī)避導(dǎo)電性問題并提高ORR性能。

TMN是一種衍生自鈷、錳、鐵和其他過渡金屬的化合物，可以導(dǎo)電，并且當暴露在空氣中時，會形成一層薄的氧基外殼，為催化化學(xué)反應(yīng)提供表面。在合成一系列具有導(dǎo)電氮化物核和活性氧化物殼的TMN后，該團隊在模型氫燃料電池中測試了每種候選催化劑。

錳和鐵基候選材料表現(xiàn)強勁。但截至2月2日，氮化鈷催化劑表現(xiàn)更好，其效率與鉑幾乎相同，而成本降低了475倍。碳負載的氮化鈷（Co3N/C）催化劑的半波電位為0.862 V，其峰值功率密度在堿性膜電極組件中已報道的700 mW cm-2氮化物陰極催化劑中打破了記錄。

Héctor Abruña表示：“氫燃料電池非常強大，可大大提高傳統(tǒng)發(fā)動機的運行效率。因此設(shè)計出穩(wěn)定且價格合理的催化劑非常有必要。”

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標簽：過渡金屬氮化物催化劑堿性燃料電池

作者：劉麗婷，如若轉(zhuǎn)載，請注明出處：http://jzr14e.cn/qianyan//2022020838191.html

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