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研究团队发现用于氢电池的低成本锡催化剂

2020年12月21日


世界需要使用更少的化石燃料迈向更绿色的未来。未来的一部分能源可能由氢气驱动,但这种技术必须具有成本效益且经久耐用。最新研究表明,锡是廉价氢燃料电池技术的“潜在替代品”。

 

一个跨国研究团队已经发布了一种新型锡碳催化剂的测试结果,表明其性能优于用于低成本氢燃料电池的铁碳催化剂。这一发现使锡在寻找用于氢动力客车和其他车辆的昂贵铂催化剂替代品的竞争中处于领先地位。

 

燃料电池通过氧化还原反应将化学能转化为电能。电池需要持续供应燃料(例如氢气)和氧气(来自空气),以实现这种能量转换。氢燃料电池使用高纯度氢,并且正在开发用于运输和固定场景的应用。增加阴极处的能量产生速率,需要催化剂材料。迄今为止,铂族金属已被证明是最有效的阴极催化剂。然而,铂的高成本阻止了氢燃料电池的商业化。例如,美国能源部(DoE)估计,氢燃料电池要真正替代车辆中的内燃机,所需的铂金大约要少四倍。可以使用其他材料从这些电池中完全替代高成本的铂。这个科学家团队发现了一种锡基组合物,是一个极好的选择。

 

该团队制备了一种锡-氮-碳-氨(SnNC-NH 3)催化剂,然后针对其他现有的基于氮-碳(MNC)的催化剂测试了其性能。他们发现,锡基催化剂比“最先进”的铁基NC(FeNC-NH 3)催化剂有更高的功率密度和氢转化率。例如,在小于0.7V的电压下,SnNC-NH 3催化剂的电流密度比FeNC-NH 3催化剂高40-50%。反应途径和特性也使锡具有优势。

 

尽管其成本比铂族金属更合适,但MNC催化剂的耐用性目前限制了它们在氢燃料电池中的商业化。例如,此处介绍的SnNC-NH 3催化剂在9,000个实验循环后损失了5-10%的性能。

 

我们的观点:氢燃料电池可提供出色的低碳替代内燃机,但将其推向大众市场仍存在一些关键问题。首先,只有当氢燃料不是来自化石燃料而是来自可再生资源时,低碳优势才得以保留。另外,燃料电池的耐久性必须提高。美国能源部已经为氢燃料电池设定了8,000个工作小时的目标,而性能降低不会超过5%。如果可以提高SnNC-NH 3催化剂的耐用性以达到该目标,那么锡可能获得又一个新的绿色技术机遇。


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