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普林斯顿大学发现铂替代品 或可研发更便宜的燃料电池

2019-07-05 浏览次数:1,657 次 盖世汽车

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(图片来源:普林斯顿大学官网)

众所周知,铂很昂贵,也是电动汽车其中一种能源-氢燃料电池得以大规模应用的严重障碍之一,因为氢燃料电池需要使用铂。但是,据外媒报道,美国普林斯顿大学(Princeton University)生物和化学工程系教授Bruce E. Koel领导的研究小组成功寻找了一种更便宜的铂材料替代品。研究人员表示,找到了一种以铪为基础的化合物,工作效率约是铂材料的60%,但是成本却仅为铂材料的五分之一左右。

燃料电池的工作原理是将存储在氢原子中的能量直接转化为电能。美国宇航局(NASA)长期以来,一直使用燃料电池为卫星以及其他太空任务提供动力,现在也开始用于电动汽车和公共汽车。氢是星球和宇宙中最简单、最丰富的元素。

从最基本的来说,燃料电池通过将氢分裂成质子和电子来发电。质子流过膜与氧气结合形成水,带负电荷的电子流向燃料电池中带正电荷的电极,电子的流动就是燃料电池产生的电流,能为发动机或其他电子设备提供动力,但是分裂过程需要铂等材料作为催化剂。

催化剂也用在以氢气为燃料的燃料电池上,以产生氢气。在最理想、无化石燃料的情况下,可再生电能可在催化剂的帮助下分裂水分子(两个氢原子和一个氧原子),将水分解成氧气和氢气,而且催化剂的效率越高,分解水所需的能量就越少。

有些先进的燃料电池,即可再生燃料电池就结合了上述两种反应。但是,目前大多数燃料电池依赖由独立系统产生的氢,变成氢燃料电池。然而,目前上述两种反应的最佳催化剂都是铂族贵金属。研究人员认为铂很完美,铂族贵金属可快速、高效催化化学反应,提取氢气,而且此类金属能够承受此类反应所需的苛刻的酸性条件。

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然而问题在于铂既稀少又很昂贵,不过,研究人员觉得用于电动汽车等的氢燃料电池并不需要铂这种完美的材料。研究人员发现,氢氧化铪是一种很好的替代品,利用氮等离子体(等离子体是一种电离气体,可在荧光灯和太阳中找到的一种物质状态)进行处理,可以将氮原子吸入该材料。

此前,由于许多材料不具导电性因而遭到忽视。但是,研究人员发现,用氮等离子体处理氧化铪会形成一层薄膜材料,此薄膜可以作为一种高活性催化剂,在强酸条件下也可存活。虽然此种以铪为基础的薄膜的效率只有铂的三分之二左右,但是价格却要便宜的多。研究人员计划下一步测试锆,因为锆更便宜。

虽然此种材料非常适合用于燃料电池,但是研究人员认为,此类材料在利用催化剂电化学分解水以产氢作为燃料的系统中最有价值。而且研究人员强调,该发现无法在不久的将来实现价格低廉的新技术商业化。目前,制作该材料的过程非常复杂,而且仅限于实验室。虽然他们已经确定了此类薄膜的性能,但是还是需要考虑到量产此类材料所需的工程技术。不过,该研究为进一步探索铂替代材料打开了大门。

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