科学家发现足够廉价的燃料电池催化剂关键成分

科学家发现足够廉价的燃料电池催化剂关键成分 然而，要在这些铁氮碳催化剂的耐久性和效率之间取得平衡却并非易事，因此这一过程充满了挑战。虽然他们已经成功地使催化剂具有持久性或高性能，但同时实现这两个属性仍然是一个巨大的障碍。布法罗大学领导的一项新研究可能会提供一种解决方案。在《自然-催化》杂志上，研究人员报告了如何在制造过程中加入氢气，从而制造出接近铂金性能的强效催化剂。前排中间的吴刚正在努力降低与生产气候友好型燃料电池相关的成本。图片来源：布法罗大学 Douglas Levere。这一进展表明，燃料电池技术在帮助汽车、卡车、火车、飞机和其他重型车辆实现无污染供电的潜力方面迈出了重要一步。"多年来，科学界一直在努力平衡这种权衡。我们可以制造出低成本的有效物质，但它们太容易降解。或者，我们可以制造出非常稳定的物质，但其性能却无法与铂相提并论。"这项研究的通讯作者、工程与应用科学学院化学与生物工程系教授吴刚博士说："通过这项工作，我们朝着解决这个问题迈出了一步。这项工作建立在吴领导的先前研究基础之上，该研究描述了铁-氮-碳催化剂，虽然这种催化剂经久耐用，但却难以加快燃料电池中的重要化学反应。新研究在一种名为热解的制造工艺中解决了这一局限性，该工艺涉及使用极高的温度来组合材料。在高温分解过程中，研究人员在高温舱中将四个氮原子与铁结合在一起。然后，他们将这种材料嵌入几层石墨烯中，石墨烯是一种坚韧、轻盈、柔韧的碳。通常，这一过程是在一个装有氩气等惰性气体的腔体内进行的。但这次，研究人员将氢气送入舱内，形成了 90% 的氩气和 10% 的氢气混合物。因此，研究人员能够更精确地控制催化剂的构成。具体来说，他们能够将两种不同的铁-氮-碳化合物（一种含有 10 个碳原子，另一种含有 12 个碳原子）置于有助于提高耐久性和效率的位置。由此产生的催化剂达到了燃料电池的初始性能，远远超过了能源部 2025 年的目标。事实证明，它比大多数铁氮碳催化剂更耐用，接近燃料电池使用的典型低铂阴极。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能

革命性催化剂涂层技术在短短4分钟内大幅提升燃料电池性能 一个合作研究小组开发出一种新型催化剂涂层技术，只需四分钟就能将固体氧化物燃料电池的性能提高三倍，为能源转换技术带来了潜在的进步。资料来源：韩国能源研究所（KIER）该技术采用纳米级氧化镨催化剂，针对空气电极的氧还原反应，显著提高了 SOFC 的功率输出。这种新方法既经济又与现有制造工艺兼容，有望得到更广泛的应用，包括高温电解制氢。韩国能源研究所（KIER）氢聚合材料实验室的 Yoonseok Choi 博士与韩国科学技术院（KAIST）材料科学与工程系的 WooChul Jung 教授和釜山国立大学材料科学与工程系的 Beom-Kyung Park 教授一起，成功开发出一种催化剂涂层技术，可在短短 4 分钟内显著提高固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能。作为推动氢经济发展的高效清洁能源设备，燃料电池正受到越来越多的关注。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）的发电效率最高，可使用氢气、沼气和天然气等各种燃料。此外，它们还可以利用发电过程中产生的热量，实现热电联产，因此成为目前研究和开发的热点。SOFC 的 LSM-YSZ 电极电化学涂层工艺示意图。资料来源：韩国能源研究院（KIER）固体氧化物燃料电池（SOFC）的性能在很大程度上取决于发生在空气电极（阴极）上的氧还原反应（ORR）动力学。空气电极的反应速率慢于燃料电极（阳极）的反应速率，从而限制了整体反应速率。为了克服这种缓慢的动力学特性，研究人员正在开发具有高 ORR 活性的新型空气电极材料。然而，这些新材料一般仍缺乏化学稳定性，需要不断进行研究。联合研究小组照片（最右边为高级研究员 Yoon-Seok Choi）。资料来源：韩国能源研究院（KIER）研究团队将重点放在提高 LSM-YSZ 复合电极的性能上，这种材料因其出色的稳定性而被广泛应用于工业领域。因此，他们开发了一种在复合电极表面涂覆纳米级氧化镨（PrOx）催化剂的涂层工艺，这种催化剂能积极促进氧还原反应。通过应用这种涂层工艺，他们显著提高了固体氧化物燃料电池的性能。研究小组引入了一种电化学沉积方法，该方法可在室温和大气压力下运行，无需复杂的设备或工艺。将复合电极浸入含有镨（Pr）离子的溶液中并施加电流，电极表面产生的氢氧根离子（OH-）会与镨离子发生反应，形成沉淀，均匀地覆盖在电极上。该涂层经过干燥过程，转化为氧化物，在高温环境中保持稳定并有效促进电极的氧还原反应。整个涂层过程只需 4 分钟。此外，研究小组还阐明了涂层纳米催化剂促进表面氧交换和离子传导的机制。他们提供的基本证据表明，催化剂涂层方法可以解决复合电极反应速率低的问题。通过对所开发的催化剂涂层复合电极和传统复合电极进行超过 400 小时的操作，研究小组观察到极化电阻降低了十倍。此外，在 650摄氏度的条件下，使用这种涂层电极的 SOFC 的峰值功率密度（142 mW/cm² → 418 mW/cm²）是未涂层情况下的三倍。这代表了使用 LSM-YSZ 复合电极的 SOFC 的最高性能。共同通讯作者 Yoonseok Choi 博士说："我们开发的电化学沉积技术是一种后处理方法，不会对现有的 SOFC 制造工艺产生重大影响。这使得引入氧化物纳米催化剂具有经济可行性，提高了其工业应用性。我们已经掌握了一项核心技术，它不仅可以应用于 SOFC，还可以应用于各种能量转换设备，例如用于制氢的高温电解 (SOEC)。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

科学家运用咖啡显著提高燃料电池的效率

科学家运用咖啡显著提高燃料电池的效率 在全球努力摒弃化石燃料的过程中，燃料电池成为一种无碳排放的显著能源。这些电池由阳极和阴极组成，并由电解质隔开，直接将燃料的化学能转化为电能。燃料被送入阳极，氧化剂（通常是空气中的氧气）被送入阴极。在氢燃料电池中，氢在阳极发生氧化，产生氢离子和电子。离子通过电解质移动到阴极，电子则流经外部电路，产生电能。在阴极，氧气与氢离子和电子结合，产生水作为唯一的副产品。然而，水的存在会影响燃料电池的性能。它与铂（Pt）催化剂发生反应，在电极上形成一层氢氧化铂（PtOH），阻碍了氧还原反应（ORR）的有效催化，导致能量损失。为了保持高效运行，燃料电池需要较高的铂负载，这大大增加了燃料电池的成本。但新的研究发现，咖啡因通过提高氧还原反应的活性可以改善燃料电池的性能。咖啡因在定义明确的铂单晶电极上的吸附结构，以及咖啡因改性前（蓝色条）和改性后（橙色条）燃料电池空气电极的活性。资料来源：千叶大学教授 Nagahiro Hoshi在最近发表于《通讯化学》（Communications Chemistry）杂志上的一项研究中，Nagahiro Hoshi 教授与日本千叶大学工程研究生院的 Masashi Nakamura、Ryuta Kubo 和 Rui Suzuki 发现，在某些铂电极中添加咖啡因可以提高 ORR 的活性。这一发现有可能减少对铂的需求，使燃料电池更经济、更高效。Hoshi 教授说："咖啡因是咖啡中含有的化学物质之一，在原子排列呈六角形结构的定义明确的铂电极上，它能将燃料电池反应的活性提高 11 倍。"咖啡因对铂电极的影响为了评估咖啡因对 ORR 的影响，研究人员测量了通过浸入含有咖啡因的电解质中的铂电极的电流。这些铂电极的表面原子按特定方向排列，即 (111)、(110) 和 (100)。随着电解液中咖啡因浓度的增加，电极的 ORR 活性明显提高。咖啡因存在时会吸附在电极表面，有效阻止氢吸附和氧化铂在电极上的形成。然而，咖啡因的作用取决于电极表面铂原子的取向。当咖啡因摩尔浓度为 1 × 10-6 时，Pt(111) 和 Pt(110) 上的 ORR 活性分别增加了 11 倍和 2.5 倍，而对 Pt(100) 没有明显影响。为了理解这种差异，研究人员使用红外反射吸收光谱法研究了咖啡因在电极表面的分子取向。他们发现，咖啡因在铂(111)和铂(110)表面被吸收时，其分子平面垂直于表面。然而，在铂(100)表面，立体阻碍导致咖啡因的分子平面相对于电极表面倾斜。"Pt(111)和Pt(110)的ORR活性提高是由于PtOH覆盖率降低和吸附的咖啡因的立体阻碍降低。相反，对于 Pt(100)，PtOH 减少的效果被吸附的咖啡因的立体阻碍抵消，因此咖啡因不会影响 ORR 活性，"Hoshi 教授解释说。与寿命有限的电池不同，燃料电池只要提供燃料就能发电，因此适用于各种应用，包括车辆、建筑物和太空任务。所提出的方法有望改进燃料电池的设计，并使其得到广泛应用。编译自/scitechdaily ... PC版： 手机版：

催化剂将氢电解器中的铱用量减少了95%

催化剂将氢电解器中的铱用量减少了95% 访问：Saily - 使用eSIM实现手机全球数据漫游 安全可靠 源自NordVPN 日本理化学研究所可持续资源科学中心（CSRS）的中村隆平（Ryuhei Nakamura）领导的研究人员在今天（5 月 9 日）发表在《科学》杂志上的一项研究中报告了一种新方法，该方法将反应所需的铱量减少了 95%，而且不会改变氢的生产率。这一突破将彻底改变我们生产生态友好型氢气的能力，并有助于实现碳中和的氢经济。合成氧化铱的扫描电子显微镜图像（D）和分散在电沉积在耐腐蚀铂涂层钛网上的氧化锰上的铱（亮点）的扫描透射电子显微镜图像（E、F、G）。资料来源：理化学研究所制氢挑战世界上 70% 的面积被水覆盖，氢气是真正的可再生能源。然而，从水中提取氢气的规模还无法与化石燃料能源生产相媲美。目前，全球能源产量接近 18 兆瓦，这意味着在任何特定时刻，全球平均生产约 18 万亿瓦特的电力。替代性绿色能源生产方式要想取代化石燃料，就必须能够达到相同的能源生产率。从水中提取氢气的绿色方法是一种需要催化剂的电化学反应。这种反应的最佳催化剂产氢率最高、最稳定的催化剂是稀有金属，其中铱是最好的催化剂。但铱的稀缺是个大问题。共同第一作者孔爽说："铱是如此稀有，以至于将全球氢气生产规模扩大到太瓦级估计需要40年的铱。"催化剂开发的创新理化学研究所 CSRS 的生物功能催化剂研究小组正试图绕过铱的瓶颈，寻找其他方法来长时间高速生产氢气。从长远来看，他们希望开发出基于普通土金属的新型催化剂，这种催化剂将具有高度的可持续性。事实上，该团队最近使用一种氧化锰作为催化剂，成功地将绿色制氢稳定在一个相对较高的水平。不过，以这种方式实现工业水平的生产还需要数年时间。中村隆平说："我们需要一种方法来弥合稀有金属电解槽与普通金属电解槽之间的差距，这样我们就能在多年内逐步过渡到完全可持续的绿色氢气。"目前的研究正是通过将锰与铱相结合来实现这一目标。研究人员发现，当他们把铱原子分散在一块氧化锰上，使它们不会相互接触或凝结在一起时，质子交换膜（PEM）电解槽中的氢气产生速度与单独使用铱时相同，但铱含量减少了 95%。潜力和未来方向使用这种新型催化剂，可以连续生产氢气超过 3000 小时（约 4 个月），效率高达 82%，且无降解。合著者李爱龙说："氧化锰和铱之间意想不到的相互作用是我们取得成功的关键。这是因为这种相互作用产生的铱处于罕见的高活性 +6 氧化态"。中村隆平认为，新催化剂达到的制氢水平极有可能立即派上用场。他说："我们希望我们的催化剂能够很容易地转移到现实世界的应用中，这将立即提高目前 PEM 电解器的容量。"研究小组已经开始与工业界的合作伙伴合作，他们已经能够改进最初的铱锰催化剂。今后，理化学研究所 CSRS 研究人员计划继续研究铱和氧化锰之间的特定化学作用，希望能进一步减少必要的铱含量。同时，他们将继续与工业合作伙伴合作，并计划在不久的将来在工业规模上部署和测试这种新型催化剂。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

催化剂设计的革命性变革：新研究将结构与反应性能联系起来

催化剂设计的革命性变革：新研究将结构与反应性能联系起来 一个研究小组推出了一个新的研究框架，简化了对催化剂结构如何影响其反应的理解，这是在应对气候变化和实现可持续发展方面取得的一项重大进展。研究人员取得突破的详细情况发表在《Angewandte Chemie》杂志上。了解催化剂表面如何影响其活性有助于设计出满足特定反应要求的高效催化剂结构。然而，鉴于电催化剂复杂的界面微环境，要掌握这种关系背后的机理并非易事。东北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）副教授、论文通讯作者李浩指出："为了破解这一难题，我们对氧化锡催化剂中的电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）进行了深入研究。这样，我们不仅揭示了二氧化锡基催化剂在二氧化碳还原过程中的活性表面物种，还建立了表面物种与二氧化碳还原性能之间的明确相关性。"标准研究范式揭示了二氧化锡电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）的结构-性能-活性关系。这幅图片说明了氧空位（1/1 ML 覆盖率）和表面活性物种（锡层）引起的表面重构，它们对选择性 HCOOH 的产生负有责任。CO2RR 被认为是减少二氧化碳排放和生产高价值燃料的一种可行方法，其中甲酸（HCOOH）因其在制药、冶金和环境修复等行业的广泛应用而成为一种值得关注的产品。所提出的方法有助于确定二氧化锡在特定电催化条件下进行二氧化碳还原反应的真正表面状态。此外，研究小组还通过使用不同形状的二氧化锡和先进的表征技术进行实验，证实了他们的发现。李和他的同事将理论研究与实验电化学技术相结合，开发出了他们的方法。"我们弥合了理论与实验之间的差距，提供了对催化剂在实际工艺条件下行为的全面了解，"李补充道。研究小组目前正致力于将这种方法应用于各种电化学反应。在此过程中，他们希望能发现更多独特的结构-活性相关性，从而加快高性能和可扩展电催化剂的设计。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新型催化剂可将二氧化碳高效转化为甲烷 转化率高达99.3%

新型催化剂可将二氧化碳高效转化为甲烷 转化率高达99.3% DGIST 的一个研究小组开发出一种先进的光催化剂，它能有效地将二氧化碳转化为甲烷，有可能为应对全球变暖提供一种可持续的解决方案。来自 DGIST 能源科学与工程系的 In Soo-il 教授及其团队成功开发出一种高效光催化剂。这项创新能够将导致气候变化的重要因素二氧化碳（CO2）转化为甲烷（CH4），也就是通常所说的天然气。全球变暖导致世界各地气候异常，威胁着人类的生存。减少温室气体是解决日益令人担忧的全球变暖问题的关键，这需要将大气中的二氧化碳转化为其他物质。光催化技术是一种环保解决方案，它只需利用太阳能和水就能将二氧化碳转化为有用的物质，如天然气。生产出的天然气可在日常生活中用作供暖、制冷系统和车辆的燃料。光催化材料的改进研究小组将吸收可见光和红外线的硒化镉与二氧化钛（一种金属氧化物和著名的光催化材料）结合起来，高效地将二氧化碳转化为天然气。以前，人们曾将具有周期性晶格结构的结晶二氧化钛作为光催化材料进行分析。然而，由于颗粒的规则排列，钛的三价阳离子（Ti3+）的活性位点的形成受到了限制。为了克服这个问题，In 教授的团队使用无定形二氧化钛改进了催化反应，因为无定形二氧化钛可以通过缺乏晶格结构周期性的不规则颗粒排列形成更多的Ti3+活性位点。除了催化作用得到改善外，电荷转移过程也很稳定，可确保有足够的电子参与反应。这有助于将二氧化碳转化为碳化合物，特别是甲烷燃料。此外，与需要高温再生的传统光催化剂不同，无定形催化剂在不加热的情况下向反应器供氧，可在一分钟内再生。高效率和未来研究方向研究小组新开发的无定形二氧化钛-硒化镉光催化剂（TiO2-CdSe）在光反应 18 小时后的前 6 小时内甲烷转化率仍高达 99.3%，是具有相同成分的晶体光催化剂（C-TiO2-CdSe）的 4.22 倍。"这项研究的重要意义在于，我们开发出了一种具有再生活性位点的催化剂，并通过计算化学研究确定了利用非晶态催化剂将二氧化碳转化为甲烷的机理，"DGIST In 教授说。"我们将开展后续研究，以改善无定形光催化剂的能量损失，并提高其长期稳定性，从而实现该技术的未来商业化。"编译来源：ScitechDailyDOI: 10.1016/j.apcatb.2024.124006 ... PC版： 手机版：