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普林斯頓大學發現鉑替代品 或可研發更便宜的燃料電池

2019-07-05 作者:余秋云  來源:蓋世汽車 

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(圖片來源:普林斯頓大學官網)

蓋世汽車訊 眾所周知,鉑很昂貴,也是電動汽車其中一種能源-氫燃料電池得以大規模應用的嚴重障礙之一,因為氫燃料電池需要使用鉑。但是,據外媒報道,美國普林斯頓大學(Princeton University)生物和化學工程系教授Bruce E. Koel領導的研究小組成功尋找了一種更便宜的鉑材料替代品。研究人員表示,找到了一種以鉿為基礎的化合物,工作效率約是鉑材料的60%,但是成本卻僅為鉑材料的五分之一左右。

燃料電池的工作原理是將存儲在氫原子中的能量直接轉化為電能。美國宇航局(NASA)長期以來,一直使用燃料電池為衛星以及其他太空任務提供動力,現在也開始用于電動汽車和公共汽車。氫是星球和宇宙中最簡單、最豐富的元素。

從最基本的來說,燃料電池通過將氫分裂成質子和電子來發電。質子流過膜與氧氣結合形成水,帶負電荷的電子流向燃料電池中帶正電荷的電極,電子的流動就是燃料電池產生的電流,能為發動機或其他電子設備提供動力,但是分裂過程需要鉑等材料作為催化劑。

催化劑也用在以氫氣為燃料的燃料電池上,以產生氫氣。在最理想、無化石燃料的情況下,可再生電能可在催化劑的幫助下分裂水分子(兩個氫原子和一個氧原子),將水分解成氧氣和氫氣,而且催化劑的效率越高,分解水所需的能量就越少。

有些先進的燃料電池,即可再生燃料電池就結合了上述兩種反應。但是,目前大多數燃料電池依賴由獨立系統產生的氫,變成氫燃料電池。然而,目前上述兩種反應的最佳催化劑都是鉑族貴金屬。研究人員認為鉑很完美,鉑族貴金屬可快速、高效催化化學反應,提取氫氣,而且此類金屬能夠承受此類反應所需的苛刻的酸性條件。

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然而問題在于鉑既稀少又很昂貴,不過,研究人員覺得用于電動汽車等的氫燃料電池并不需要鉑這種完美的材料。研究人員發現,氫氧化鉿是一種很好的替代品,利用氮等離子體(等離子體是一種電離氣體,可在熒光燈和太陽中找到的一種物質狀態)進行處理,可以將氮原子吸入該材料。

此前,由于許多材料不具導電性因而遭到忽視。但是,研究人員發現,用氮等離子體處理氧化鉿會形成一層薄膜材料,此薄膜可以作為一種高活性催化劑,在強酸條件下也可存活。雖然此種以鉿為基礎的薄膜的效率只有鉑的三分之二左右,但是價格卻要便宜的多。研究人員計劃下一步測試鋯,因為鋯更便宜。

雖然此種材料非常適合用于燃料電池,但是研究人員認為,此類材料在利用催化劑電化學分解水以產氫作為燃料的系統中最有價值。而且研究人員強調,該發現無法在不久的將來實現價格低廉的新技術商業化。目前,制作該材料的過程非常復雜,而且僅限于實驗室。雖然他們已經確定了此類薄膜的性能,但是還是需要考慮到量產此類材料所需的工程技術。不過,該研究為進一步探索鉑替代材料打開了大門。

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