中国新型氢气净化催化剂可提升燃料电池耐用性

2019-02-06 05:22

OFweek氢能网讯：1月30日，《自然》杂志发表文章称，来自中国的研究团队已研发出一种新型催化剂，可解除氢燃料电池一氧化碳“中毒休克”危机。

该文章和研究成果由中国科学技术大学路军岭教授、韦世强教授、杨金龙教授等课题组合作完成，已通过《自然》杂志审核。

氢燃料电池汽车被视为新能源汽车领域的重要技术路径之一，被世界各国寄予厚望。但燃料电池铂电极的一氧化碳“中毒”问题长期以来一直困扰着燃料电池耐用性及综合性能的再提升。

当前，氢主要来源于甲醇和天然气等碳氢化合物的蒸汽重整和水煤气变换反应，由此产生的氢通常含有0．5％至2％的一氧化碳杂质气体。燃料电池铂电极容易被一氧化碳杂质气体“毒害”，导致电池性能下降和寿命缩短，严重阻碍氢燃料电池汽车推广。

车载氢气净化或许是解决这一问题的可能行的方案，涉及氢内一氧化碳优先氧化。即在氢气进入燃料电池之前，使氢气中的一氧化碳杂质气体优先和氧气发生反应，从而避免一氧化碳杂质气体进入电池毒化电极。

但该方法需要催化剂在广泛的低温范围内对CO氧化具有活性和选择性，以便在连续PEMFC操作期间有效去除一氧化碳。而现有催化剂只能在极窄的温度范围内工作，导致氢燃料电池汽车无法在频繁冷启动期间得到有效保护，很难步入实用。

而中国研究团队开发的氢氧化铁新型催化剂为分离过渡金属配合物沉积提供了新方法。

《自然》刊发中国新型氢气净化催化剂可提升燃料电池耐用性

Fe1（OH）x－Pt单位点界面新型催化剂结构模型示意图。这里蓝色、黄色、红色、白色小球分别代表铂、铁、氧和氢原子，暗黄色的大球代表催化剂载体。

新催化剂，通过将原子级分散氢氧化铁选择性地沉积在二氧化硅负载的铂（Pt）纳米粒子上，通过PROX反应，在198－380开尔文（约合－75℃至107℃）的宽温度范围内，实现完全和100％的选择性CO去除。

研究发现，该体系的质量活性比在氧化铁载体上由Pt组成的更常规催化剂高约30倍。原位X射线吸收精细结构测量显示大多数氢氧化铁以Fe存在固定在Pt纳米颗粒上的1（OH）x簇，密度泛函理论计算表明Fe 1（OH）x －Pt单个界面位点可以容易地与CO反应并促进氧活化。

这意味着新型氢氧化铁催化剂在去除一氧化碳的同时，可以延长电池寿命，拓宽电池使用温度环境，使燃料电池在寒冬也能正常启动，有利于氢能源汽车的民用推广。

“这些发现可能会大大加速氢燃料电池汽车时代的到来。”路军岭教授表示：“我们的最终目标是开发一种廉价的且具有高活性、高选择性的一氧化碳优先氧化催化剂，既可以提供机载燃料电池的全时保护，也可以为工厂高纯氢气制备提供有效手段。”

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