KIST科学家开发出用于高温燃料电池的高性能单原子催化剂

据外媒报道,与需要充电的二次电池不同,燃料电池是一种以氢气为燃料、氧气为氧化剂,直接通过电化学反应产生电能的环保发电系统。燃料电池有多种类型,其工作温度和电解质材料各不相同。其中,使用陶瓷电解质的固体氧化物燃料电池(SOFC)受到越来越多的关注。由于它的工作温度高达 700 摄氏度左右,因此在各种燃料电池中效率最高,还可以通过蒸汽分解产生氢气。

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为了实现该技术的商业化,必须进一步提高电池性能,新型高温催化剂材料备受期待。铂(Pt)基催化剂在燃料电池电极反应中表现出如此优异的性能。特别是单原子铂催化剂,由于其独特的功能性而被积极研究。然而,在高温下,铂原子不稳定。因此,单原子铂催化剂只在低温燃料电池中使用,如用于氢能电动汽车的聚合物-电解质膜燃料电池。

在这种情况下,研究团队开发出了一种只需要少量铂就能大幅提高性能,并能在高温下稳定运行的催化剂。韩国科学技术研究院(KIST)宣布,其能源材料研究中心的 Kyung-Joong Yoon 博士和 Ji-Su Shin 研究员与汉阳大学的 Yun -Jung Lee 教授共同开发了一种可用于 SOFCs 的单原子铂催化剂。

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在他们的研究中,整个铂原子分布均匀,即使在高温下也能单独发挥作用而不结块。实验证明,它能使电极反应速度提高 10 倍以上。即使在高达 700 摄氏度的高温下也能工作 500 小时以上,发电和制氢性能提高3-4 倍。该技术有望加速下一代环保燃料电池–固体氧化物燃料电池(SOFCs)的商业化进程。

研究团队联合开发的单原子催化剂是由铂原子和氧化铈纳米颗粒组合而成。每一个铂原子都被单独分散在氧化铈纳米颗粒的表面,即使在高温下,强大的结合力也能长时间保持原子的分散状态,这使得所有铂原子都能参与反应。这又使得在尽量减少铂的使用量的同时,可以大幅度提高电极反应的速率。

制造时,将含有铂和铈离子的溶液注入到 SOFCs 的电极中,在燃料电池高温工作时合成催化剂。由于不需要任何特殊设备就可以轻松地注入电极,因此预计新开发的催化剂可以很容易地应用到现有的燃料电池制造工艺中。

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来自 KIST 的 Kyung-Joong Yoon 博士表示:“本研究开发的催化剂可以利用简单易行的低成本工艺应用于各种固体氧化物燃料电池和高温电化学装置,因此有望加速下一代环保发电和储能装置的开发。基于单原子催化剂即使在 700 摄氏度以上也能稳定运行,其应用领域将大大拓展,包括高温热化学反应和高温电化学反应。”

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