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用于高温燃料电池的高性能单原子催化剂

与需要充电的二次电池不同,燃料电池是一种生态友好型的发电系统,可以通过使用氢作为燃料和氧作为氧化剂的电化学反应直接发电。燃料电池的类型多种多样,其工作温度和电解质材料不同。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。由于它们在700摄氏度左右的高温下运行,因此它们在燃料电池类型中提供最高的效率,并且还可以用于通过蒸汽分解产生氢气。为了将该技术商业化,必须进一步提高电池性能,并且高度期待新型高温催化剂材料。

 

铂(Pt)基催化剂在燃料电池电极反应中表现出出色的性能。单原子铂催化剂由于其独特的功能性而备受关注。但是,在高温下,Pt原子不稳定且容易团聚。因此,Pt单原子催化剂仅用于低温燃料电池,例如用于氢电动汽车的聚合物电解质膜燃料电池。

一个研究小组现已开发出一种催化剂,该催化剂仅需少量的铂即可显着提高性能,并且可以在高温下稳定运行。能源材料研究中心的Kyung-Joong Yoon博士和研究员Ji-Su Su与汉阳大学的Yun Yun Lee教授一起开发了可用于SOFC的单原子Pt催化剂。

在他们的研究中,即使在高温下,整个铂原子也均匀地分布并单独运行而不会发生团聚。实验表明,它将电极反应速率提高了10倍以上。即使在高达700摄氏度的高温下,它也可以运行500多个小时,并将发电和制氢性能提高三到四倍。预计将加速下一代环保燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)的商业化。

KIST-汉阳大学的研究团队通过结合铂原子和氧化铈(Ce)纳米粒子制成了单原子催化剂。每个铂原子分别分散在二氧化铈纳米颗粒的表面上,并且即使在高温下,强键也可以长时间保持原子的分散状态,这使得所有铂原子都可以参与反应。进而,这使得可以显着提高电极反应的速率,同时使铂的使用量最小化。

为了制造,将包含铂和铈离子的溶液注入到SOFC的电极中,并且在燃料电池在高温下工作的同时合成催化剂。由于无需任何特殊设备即可轻松进行电极注入,因此新开发的催化剂可轻松应用于现有的燃料电池制造工艺。

KIST的Kyung-Joong Yoon博士说:“这项研究中开发的催化剂可以通过简单,低成本的方法应用于各种固体氧化物燃料电池和高温电化学装置,因此有望基于单原子催化剂即使在700摄氏度或更高的温度下仍能稳定运行的事实,加速了下一代环保型发电和能量存储设备的开发,其应用领域将得到极大扩展,包括高温热化学反应和高温电化学反应。”

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