Наноразмерные частицы сплава платины и кобальта снижают стоимость топливных элементов следующего поколения

Прочитано: 160 раз(а)


Драгоценный металл платина является ключевым катализатором химических реакций, лежащих в основе следующего поколения более компактных и высокопроизводительных водородных топливных элементов. Но высокая стоимость платины препятствует широкому внедрению этой технологии.

Исследователи, однако, разработали наноразмерный сплав платины и кобальта для использования в качестве катализатора , резко сократив количество платины, необходимое для достижения такой же или даже лучшей производительности.

Описание этого нового платино-кобальтового электрокатализатора и технологии его производства было опубликовано в журнале Particuology 15 декабря.

Водородные топливные элементы потребуются при переходе к экологически чистым технологиям для тех отраслей экономики, в частности для тяжелого транспорта, которые трудно электрифицировать с использованием аккумуляторных технологий. К сожалению, наиболее часто используемый топливный элемент, щелочной топливный элемент, остается довольно громоздким, что ограничивает его применение в таких секторах, как судоходство и авиация, где пространство имеет большое значение.

Следующее поколение топливных элементов, топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC, иногда называемые топливными элементами с мембраной из полимерного электролита), гораздо более компактны.

К сожалению, основным катализатором — веществом, которое помогает ускорить химические реакции — используемым в ключевой реакции, связанной с PEMFCS (реакция восстановления кислорода, или ORR), является редкий и, следовательно, дорогой металл платина. Высокая стоимость платины уже является одним из самых больших препятствий для более широкого внедрения PEMFC. По данным Министерства энергетики США, катализаторы металлов платиновой группы в топливных элементах в настоящее время составляют более 40% их стоимости. Действительно, половина всей производимой в мире платины используется автомобильной промышленностью.

«Это означает, что даже несмотря на то, что высокая стоимость платины ограничивает внедрение топливных элементов в транспортных средствах, если произойдет более широкое внедрение, это только усугубит проблему, поскольку спрос на этот редкий металл будет еще выше, а, следовательно, и цены выше. «, — сказал Чжунхуа Сян, автор статьи и электрохимик из Пекинского химико-технологического университета.

Таким образом, любой путь к более широкому внедрению технологии топливных элементов обязательно включает некоторое сокращение количества требуемой платины либо путем замены ее на какой-либо другой каталитический материал, либо путем уменьшения количества необходимой платины без ущерба для производительности.

Большое количество исследований было сосредоточено на последнем подходе. Исследователи особенно сосредоточились на сплаве платины с кобальтом, фактически разбавляя количество платины, необходимое для достижения того же результата. Причина этого в том, что различные платино-кобальтовые сплавы имеют более высокую «активную поверхность» — пространство на молекулах катализатора, где могут протекать соответствующие химические реакции.

Тем не менее, точная настройка степени легирования для достижения оптимальных характеристик ORR остается большой проблемой.

Поэтому профессор Сян синтезировал предшественник платина-кобальт-углерод (соединение, которое работает для получения второго соединения, в данном случае сплава платины-кобальта), используя диметиламинборан (ДМАБ) в качестве восстановителя (вещество, которое отдает электроны другому веществу). один в химической реакции). Этот прекурсор был нагрет до высокой температуры в среде газообразного водорода и аргона для получения платино-кобальтового сплава с участием трех атомов платины на каждый атом кобальта в виде наноразмерных частиц.

Структура электронов в этом конкретном платиново- кобальтовом сплаве обеспечивает высокую активность поверхности мембран электродов в топливном элементе. В результате повышается производительность топливного элемента и достигается большая стабильность топливного элемента. Это последнее преимущество было продемонстрировано лишь незначительным ухудшением характеристик после 10 000 циклов топливного элемента. Дальнейшие испытания на одиночных топливных элементах показали, что их подход значительно превышает требования стандартов Министерства энергетики США.

Продемонстрировав снижение количества платины, необходимой для достижения превосходных характеристик ПОМТЭ, профессор Сян теперь хочет посмотреть, сможет ли он полностью заменить катализатор на основе платины , используя в качестве катализатора недрагоценные металлы, опять же при сохранении или улучшении производительности и долгосрочная стабильность.

Наноразмерные частицы сплава платины и кобальта снижают стоимость топливных элементов следующего поколения



Новости партнеров