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燃料电池,或让生活更美好
发布:haige__   时间:2018/9/12 23:57:27   阅读:594 
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近年来,随着经济的迅猛发展,我国对能源的需求日益增加。化石能源作为目前全球消耗的最主要能源,在给我们带来方便的同时,也对地球环境造成了严重污染。因此,开发可代替化石能源的清洁能源变得越来越重要。
图1 环境污染 (图片来自网络)
燃料电池是一种能把燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的装置,它是继水力、火力、原子能发电方式之后的“第四种发电方式”。因其具有节能、转换效率高、接近零排放的优点,已成为解决能源和环境问题的重要方法。
图2 燃料电池 (图片来自网络)
其中,甲醇燃料电池具有工作效率高、环境友好等特点,被广泛应用于便携式设备。相比于氢能源,甲醇是一种更加便宜的液态燃料,便于存储、易运输,且具有更高的理论能量密度,因此,甲醇燃料电池在新能源汽车、便携式电子设备等领域具有非常好的应用潜力。
图3 甲醇燃料电池笔记本 (图片来自网络)
然而,甲醇燃料电池虽好,也有制约其进一步发展的短板——催化剂。目前,甲醇燃料电池的催化剂主要采用铂纳米材料制成,但是传统铂纳米材料在制备过程中,会产生毒化、析出等副作用,使得铂纳米催化剂的有效面积活性和质量活性逐渐降低,严重影响了甲醇燃料电池的使用寿命。此外,制备铂纳米材料所需的金属铂储存量低、价格昂贵、成本高,十分不利于电池的大规模商业化应用。因此,制备高活性、稳定性好的催化剂,对甲醇燃料电池的进一步大规模应用具有重要意义。

为了提高甲醇燃料电池催化剂的催化活性和稳定性,人们已通过多种方法制备出了具有不同结构的铂及铂基纳米催化剂,例如:具有高指数晶面的铂纳米粒子、空心铂钯合金、铂镍合金、银铂合金等,但这些材料的制备方法大多工序复杂、反应周期长,而且并不能很好的解决上述催化活性和稳定性问题。

中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所李越研究员团队采用激光诱导法成功制备出三维多孔金银铂三元合金纳米材料催化剂(spongy AuAgPt NSs),如图4,5所示。
图4 三维多孔金银铂三元合金纳米催化剂的形貌和结构表征
图5 催化活性位点表征
由于多孔结构以及高指数晶面、晶格扭曲和孪晶界的存在,使其具有大的比表面积和高密度活性位点。该催化剂不仅稳定性远高于传统铂纳米材料,而且对甲醇催化的质量活性是商业化铂黑(Ptblack)的5.1倍(图6)。
图6 三维多孔金银铂三元合金纳米催化剂对甲醇催化氧化的性能测试

该项研究结果从一定程度上解决了燃料电池使用时催化剂催化活性不高、稳定性差和电池使用寿命短等问题。而且,该制备方法为新型铂基纳米催化剂的制备提供了一种崭新的设计思路,同时为发展高效稳定的燃料电池奠定了良好的材料基础。

来源:知乎专栏  中科院之声
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