韩国基础科学研究所开发纳米催化剂 促进氢燃料电池的发展

盖世汽车讯 燃料电池利用氢产生电能，同时排放的副产物只有水。然而，高性能催化剂的生产方法很复杂，而且要用到比较昂贵的铂。因此，需要开发一种简便且可扩展的铂基燃料电池催化剂生产方法，同时提高催化性能和稳定性，并充分减少铂使用量。

所开发催化剂及其PEMFC动力性能的微观（STEM和TEM）图像。（图片来源：韩国基础科学研究所）

据外媒报道，为了解决这一问题，韩国基础科学研究所纳米颗粒研究中心（CNR-IBS）的研究团队开发了一种生产纳米催化剂的新方法。

研究人员证明，通过简单的热处理，可以生产大小均匀（3-4nm）的钴铂（Co-Pt）合金纳米颗粒。该方法结合了浸渍法易于合成的特点，另外类似于胶体法，可以精确控制纳米晶体的大小和形状。

这种创新Co-Pt合金纳米催化剂由两种带相反电荷的金属络合物组成，特别是分别被联吡啶和氯配体包围的Co和Pt离子。

该团队提出假设，通过简单的热处理，可以将联吡啶配体热分解为碳壳，从而保护不断增长的Co-Pt合金纳米颗粒。对热处理条件进行优化后，研究人员成功地获得了高度均匀的纳米催化剂，其中纳米粒子的尺寸仅为3-4nm。

Co-Pt合金纳米催化剂的生长过程示意图。（图片来源：韩国基础科学研究所）

在该团队开发的纳米催化剂中，Co和Pt原子以一种被称为“金属间相”的规则方式排列，其中不稳定的Co原子被周围的Pt原子所稳定。此外，当氮被有效掺杂到碳载体上时，离聚物（质子导体）均匀地分散在燃料电池的整个催化剂层上，从而便于向Co-Pt纳米催化剂表面供应氧气。

这些结构特征大大提高了质子交换膜燃料电池的功率性能，使其具有5.9 kW/gPt的高比额定功率，大约是目前商用氢动力车辆性能的两倍。在很大程度上，该团队生产的催化剂已实现了美国能源部设定的2025年目标（以燃料电池稳定长期运行为目标）。

该团队认为，这项研究将促进下一代燃料电池催化剂的发展。同时，将有助于提高合金纳米催化剂的催化性能和耐久性，以用于其他各类电催化应用。

研究负责人之一Hyeon Taeghwan 教授表示：“这项研究的关键起点是，设计一种新型双金属化合物作为前体材料。研究人员开发了一种平台技术，通过简单和可扩展的方法，生产复杂形式的合金纳米催化剂，最终在减少铂使用量的情况下，提高了燃料电池的动力性能。”

另外一位研究负责人Sung Yung-Eun教授表示：“在这项研究中，燃料电池的性能达到了先进水平。如果再加上一些后续研究，预计在不久的将来会对氢动力车辆行业的增长和实现氢经济产生重大影响。”

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