燃料电池低成本催化剂的化学原理分析
资讯类型:行业新闻 加入时间:2021年1月13日16:18
 
质子交换膜(PEM)燃料电池是一种储能技术,有助于降低碳足迹。燃料电池利用一种被称为氧还原的化学反应,这种反应需要一种低成本的催化剂来实现更广泛的商业应用。掺氮碳就是这样一种催化剂,但关于掺氮工作原理的化学细节颇有争议。这些知识对于改善PEM燃料电池在未来技术中的功能非常重要。

最近发表在《Angewandte Chemie International Edition》上的一项研究中,来自筑波大学的研究人员提出了在酸性条件下优化PEM燃料电池中氧还原反应的化学细节。这种构型有助于碳催化剂吸附氧,使燃料电池发挥作用。

氮气可以在氮气掺杂的碳催化剂中采用各种键合构型,如吡啶化。多年来,研究人员一直试图确定哪些键合构型是PEM燃料电池中电解活性的来源。除非通过控制催化剂上氮原子的键合和结晶取向来明确反应机制,否则可能无法获得研究结果。

研究人员将7个含氮分子沉积在顺晶碳黑催化剂上,制成具有均匀结构的模型催化剂,然后发现,在催化剂的边缘有两个吡啶氮原子的1,10-菲罗啉,参照电流密度具有最高的活性。硫酸使催化剂中的氮原子完全酸化。在氧饱和条件下施加适当电压后,催化剂中的质子化氮原子被还原。这是由于同时吸附了氧气,因为在氮饱和条件下没有还原。

密度函数理论计算也表明,氧吸附促进了完全质子化氮原子的还原,因此,氧气吸收到催化剂上,同时,氮原子被还原,进行额外的催化循环。

目前的PEM燃料电池使用的是铂金催化剂。由于铂是一种稀有金属,从长远来看,它并不是商业应用的现实选择。因此,铂金催化剂将无法使PEM燃料电池为低碳经济做出贡献。这里描述的研究结果将帮助研究人员改善PEM燃料电池的碳基催化剂的性能。

论文标题为《Role of Pyridinic Nitrogen in the Mechanism of the Oxygen Reduction Reaction on Carbon Electrocatalysts》。
文章来自:中国催化剂网
文章作者:webmaster
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