幾十年來，科學(xué)家們一直在尋找一種能夠顯著降低制造氫燃料電池成本的催化劑。這樣的進(jìn)步可能會(huì)引發(fā)一場(chǎng)綠色能源革命，從筆記本電腦到機(jī)車，一切都使用一種燃料，其唯一的副產(chǎn)品是水。

布法羅大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的新研究表明，科學(xué)家們正在向這一目標(biāo)邁進(jìn)。

在周四(7 月 7 日)發(fā)表在Nature Energy上的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們描述了鐵如何與氮和碳結(jié)合生產(chǎn)出高效、耐用且廉價(jià)的催化劑——這是美國(guó)能源部 (DOE) 確定的三個(gè)主要目標(biāo)用于燃料電池研究。

該研究的主要作者、UB 工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院化學(xué)與生物工程教授吳剛博士說：“這已經(jīng)醞釀了多年。” “我們相信這是一項(xiàng)重大突破，最終將有助于釋放氫燃料電池的巨大潛力。”

燃料電池的承諾

根據(jù)美國(guó)能源部的說法，燃料電池的工作方式與電池類似，但它們不會(huì)耗盡電力或需要充電。只要提供燃料(例如氫氣)，它們就會(huì)產(chǎn)生電力和熱量。

長(zhǎng)期以來，它們一直吸引著科學(xué)家、環(huán)保主義者和其他人，因?yàn)榕c內(nèi)燃機(jī)相比，它們的排放量更低或?yàn)榱?。并且它們可以用于廣泛的應(yīng)用，為車輛、發(fā)電廠、建筑物和其他系統(tǒng)提供電力。

但燃料電池并沒有廣泛商業(yè)化，因?yàn)槌渌?，它們需要昂貴的催化劑來加速重要的燃料電池反應(yīng)。

最好的催化劑是六種貴金屬——被稱為鉑族金屬。雖然高效且耐用，但這些金屬非常昂貴，因?yàn)樗鼈儤O為稀有。因此，科學(xué)家們正在尋找成本更低的替代品。

克服障礙

一種這樣的替代物是鐵基催化劑。鐵很有吸引力，因?yàn)樗S富且便宜。但它的性能不如鉑金，特別是因?yàn)樗狈Τ惺苋剂想姵貎?nèi)部高度腐蝕性和氧化環(huán)境的耐用性。

為了克服這一障礙，研究小組將四個(gè)氮原子與鐵結(jié)合。然后，研究人員將材料嵌入幾層石墨烯中，“對(duì)局部幾何和化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的原子控制，”吳說。

所得結(jié)構(gòu)是一種大大改進(jìn)的催化劑。例如，研究小組報(bào)告了催化劑：

被認(rèn)為是迄今為止生產(chǎn)的最有效的鐵基催化劑，超過了美國(guó)能源部 2025 年的電流密度目標(biāo)。

達(dá)到接近鉑族催化劑的耐久性等級(jí)。

吳說，所有這一切都表明鐵基催化劑具有使燃料電池，特別是氫燃料電池更便宜的商業(yè)用途的潛力。研究人員正在計(jì)劃后續(xù)研究以進(jìn)一步改進(jìn)催化劑。