筑波大学开发出一种不使用铂的高性能催化剂——有望用于氢燃料电池

筑波大学开发出一种不使用铂的高性能催化剂——有望用于氢燃料电池 11月28日技术前沿165

据外媒报道，来自筑波大学、九州大学和鹤冈工业大学的联合研究团队于 11 月 14 日宣布，他们已经开发出一种表现接近铂基催化剂，具有高电压和电流特性的氮掺杂碳催化剂。研究团队认为，这种催化剂具有目前世界上最高的无金属正极催化剂活性水平，有望在氢燃料电池中得到应用。

研究背景

氢燃料电池（聚合物电解质燃料电池）从氢气和氧气中产生能量，是实现碳中和的一项极其重要的技术。然而，目前商业化氢燃料电池的正极都会使用铂基催化剂，但这种金属的价格昂贵且储量有限，因此业界一直希望可以开发出不需要铂的催化剂。

由于其出色的耐久性和低成本，氮掺杂碳催化剂有望成为有前途的替代品。然而当在燃料电池中使用酸性质子透过膜时，实际使用中会存在在酸性环境中催化活性降低的问题。研冷饮机究团队认为并阐明反应过程中活性位点的水合作用可能是主要因素——因此为了提高酸性环境中的活性，重点是要防止活性位点的水合作用。

研究成果

在实验中，研究员使用在氮掺杂碳催化剂中往往具有高活性的氮掺杂石墨烯作为基础。通过混合氧化石墨烯和氯化钠 (NaCl) 水溶液并蒸发水，使 NaCl 结晶，形成被氧化石墨烯包围的结构。这可以防止石墨烯堆积并对疏水性产生卷尺不利影响。最后通过在氨气环境中加热石墨烯，并将NaCl 溶于水来去除，从而得到具有笼状空隙的掺氮石墨烯（下图左）。

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当测量该石墨烯的氧还原反应活性时，研究员确认其在酸性溶液中的活性与在碱性溶液中的活性几乎相同。另外它还显示出接近铂基催化剂的发电电压（上图右）。

当使用各种显微镜分析结构时，发现氧电镀酸铜气作为气体被困在笼状结构中，反应机理也发生了变化。通过形成笼状结构，活性部位附近因莲花效应（数十微米的凹凸结构而表现出高疏水性的效果）而变得疏水化，促进氧化还原反应的基本过程。

另一方面，与铂系催化剂相比，施加过电压时的电流值衰减大。这表明活性位点的质子供应不足。不过，当研究员将涂有负责质子传导的SiO2颗粒引入笼结构中以形成质子供应路径时，他们发现施加过电压时的电流特性也有所改善——其趋向已类似于铂基催化剂。

结语

报道中称，现有燃料电池的制造条件针对铂基催化剂进行了优化。未来，还应优化氮掺杂石墨烯催化剂的相同条件，以便在实际燃料电池中也能实现类似的正极催化活性。此外，研究团队认为目前的特性还有进一步改善的空间，未来将通过分析反应机理，着手进一步改善催化特性。

Coco编译

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