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科学家使用形状固定的纳米反应器制得优质的燃料电池催化剂
发布:shadow   时间:2015/5/19 14:16:28   阅读:1722 
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材料与测试:通过盐的再结晶方法产生形状固定的气孔,碳基燃料电池催化剂获得大量活性位点
通过盐的再结晶方法产生形状固定的气孔,碳基燃料电池催化剂获得大量活性位点
 
质子交换膜燃料电池(PEMFCs)是轻量级燃料电池,被用于汽车和便携式电子产品上。其发展面临的最大挑战之一是需要昂贵的铂基催化剂。为尽量降低成本,科学家们正在寻找减少铂用量的方法,或者用更廉价的材料来完全取代铂。但是到目前为止,并没有哪种材料能完全替代铂的性能,主要原因是其他材料的“活性位点”较少,且较难获取,而活性位点正是催化反应发生的场所。
 
为了应对这一挑战,科学家们在一项新的研究中开发了一种带有大量活性位点的合成材料,同时能保证这些活性位点对所有反应中的相关物质(电子、质子、氧气、水分子等)开放。他们已经合成出高度多孔的碳纳米材料,其中的气孔作为开放渠道将碳框架内的各种物质传输到特定活性位点。
 
这种方法得到的催化剂被引入到质子交换膜燃料电池时,有一个峰值功率(600 mW/cm2),是目前为止非铂和非贵金属催化剂中效果最好的。此外,研究人员解释说这种方法很突出,它比以往任何方法都更高效,其它方法得到的大部分产物在高温下丢失。
 
中国重庆大学的化学教授魏子栋领导了该研究,已将研究成果新型质子交换膜燃料电池催化剂发表在最新一期的《美国化学学会》杂志上。
 
研究人员将这种新型高产方法描述为“固定形状”,原因是它允许碳纳米材料与高聚物先驱体有相似的结构和形态。形状固定过程是在烧杯里将过饱和氯化钠溶液倒入三维聚苯胺(PANI)碳基聚合物中,水蒸发而氯化钠在PANI周围再结晶,直到PANI完全被晶体覆盖,几乎像被埋在冰块中一样。
 
由于氯化钠完全密封了PANI,研究人员说氯化钠可以被认为是纳米反应器。在该纳米反应器内部,PANI在添加大量原材料时的热解和气化过程中受热。最后,封闭空间里的各种材料的气化导致了许多气孔的形成,碳化的PANI由于先前被氯化钠晶体固定而保持原有的三维形状。研究者解释说,这种方法产生的活性位点极其有效。
 
“这项研究的重要结果是聚合物的形态很好地转移到最终的碳化材料中,产生的活性位点越多,获得的产值越高。”魏教授说道。
 
最终结果是有高密度活性位点的材料很容易开放位点(气孔),使其很适合做质子交换膜燃料电池的碳基催化剂,研究人员希望未来找到比聚苯胺更好的聚合物先驱体来进一步改进这种新方法。



来源:材料与测试
译者:Sarah
译自phys.org
 
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