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康奈爾化學家發(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（Cornell University）化學家稱發(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（ORR），但成本與鉑相近。該研究康奈爾大學藝術與科學學院化學與化學生物學系Émile M. Chamot教授 Héctor D. Abruña領導，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（ORR）普遍采用昂貴的鉑（和其他貴金屬），使得氫燃料電池無法在電動汽車被廣泛應用。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，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。然而這些半導體尖晶石氧化物的低固有電導率阻礙了其ORR活性的進一步改進。
理想的ORR電催化劑應具有負責催化ORR過程的活性表面和促進電荷轉(zhuǎn)移的導電體。因此，開發(fā)導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，為催化化學反應提供表面。在合成一系列具有導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。因此設計出穩(wěn)定且價格合理的催化劑非常有必要。”
(責任編輯：子蕊)
文章標簽：
過渡金屬氮化物催化劑
堿性燃料電池
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