研究人员设计高活性无PGM钴基催化剂 可用于燃料电池

据外媒报道，由太平洋西北国家实验室（601099，Guba）材料科学家领导的多机构研究团队开发了一种耐用且高活性的催化剂，该催化剂可以催化必要的化学反应，而不依赖昂贵的铂族金属。

这种新型催化剂含有掺杂了氮和碳的钴。与由铁制成的具有类似结构的催化剂相比，研究团队发现钴催化剂可以达到类似的效果，但其耐用性要高出四倍。研究人员表示：在1.0bar H2/O2燃料电池中，在0.9V阻抗补偿下，Co-N-C催化剂的电流密度和峰值功率密度为0.022 a cm？2和0.64W厘米？2，这高于文献中报道的非铁铂游离金属催化剂的那些。重要的是，我们确定了M-N-C催化剂的两种主要降解机制：自由基氧化和活性中心脱金属。与Fe-N-C相比，Co-N-C的耐久性有所提高，这归因于Fenton反应中Co离子的存在。活性相对较低，反应从主要的氧还原副产物H2O2产生自由基，Co-N-C的抗脱金属性能显著提高。通常的想法是将质子交换膜燃料电池与氢气配对，用于各种跨学科应用，包括运输、固定和备用电源、金属制造等。这些高效清洁的能源转换装置需要高活性的化学反应催化剂——氧气还原反应，这是燃料电池高效运行的“生命线”。对于PEM燃料电池，铂族金属是最有效的催化剂材料，但它们的成本约占燃料电池成本的一半。因此，科学家们正在研究铁等过渡金属作为铂的潜在替代品。但他们发现，在酸性质子交换膜燃料电池环境中，这些金属会迅速降解。与铂相比，钴是一种相对便宜且储量丰富的过渡金属。先前的研究表明，钴的活性远低于铁基催化剂的活性。PNNL的研究负责人兼材料科学家邵玉艳说：“我们知道，掺杂氮和碳的钴结构是催化剂有效反应的关键，活性位点的密度对性能至关重要。我们的目标是真正提高钴基催化剂的反应活性。”。“该团队将钴基分子固定在咪唑沸石骨架的微孔中，这可以作为保护屏障，降低钴原子的迁移率，以防止它们聚集在一起。然后，他们使用高温热解将原子转化为骨架内的催化活性位点。在这种结构中，他们发现活性位点的密度显著增加从而提高了反应活性。事实上，在迄今为止报道的用于燃料电池的不含铁和铂的金属催化剂中，这是最具活性的。研究小组还发现，钴基催化剂比使用相同方法合成的铁基催化剂耐用得多。他们首次发现脱金属反应过程中存在显著差异。这种类型的反应是指从催化剂中过滤金属离子，然后催化剂失去活性。他们还发现，燃料电池中氧还原反应副产物中的氧自由基会攻击催化剂，导致性能下降。Shao Yuyan说：“最终，我们不仅提高了钴基催化剂的活性，还显著提高了它们的耐用性。经过进一步的研究，我们发现了通常降解这些类型催化剂的机制

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