PNAS: 鹼性燃料電池中八面體尖晶石電催化劑

2021-02-15 催化計

燃料電池(FC)是一種環境友好、能量密度高、燃料來源豐富、能量轉換效率高的新能源技術。其中，動力學過程緩慢的氧氣還原反應(ORR)作為FC的陰極反應,是極其重要的。目前，基於鉑(Pt)及其合金的催化劑仍然是催化陰極ORR最為有效的電催化劑，然而，Pt昂貴的價格和匱乏的儲量限制了FC的商業化發展，設計高性能的非貴金屬電催化劑取代鉑用於氧還原反應(ORR)是燃料電池技術發展的關鍵挑戰。

近日，康奈爾大學的Héctor D. Abruña課題組對鹼性燃料電池氧還原反應中15種AB2O4/C八面體尖晶石電催化劑進行了系統研究，利用掃描透射電子顯微鏡(STEM)可以提供原子尺度、空間解析度的圖像，高能量解析度的電子損耗近邊緣結構(ELNES)可以探測活性位點周圍的局部化學環境。

本文要點

要點1. 反應活性最高的ORR電催化劑為MnCo2O4/C、CoMn2O4/C和CoFe2O4/C，特別是CoMnO/C可以與Pt/C的ORR活性和選擇性相媲美，在1 M KOH中，CoMn2O4/C表現出0.89 V的半波電勢，X射線吸收光譜證明這歸因於Co和Mn之間的電荷轉移。

要點2. 活性最強的MnCo2O4/C具有獨特的Co-Mn核-殼結構，ELNES譜表明，核內Co以Co2.7+為主，殼內Co以Co2+為主，殼層中的Co主要佔據四面體位點，可能是ORR的活性位點。

要點3. 該工作結合先進的電子顯微鏡和光譜學，使高活性的納米催化劑的設計達到前所未有的原子級精度，探索了納米級的非均質電子結構，對鹼性燃料電池電催化劑的設計具有重要的借鑑意義。

Yao Yang, et al. Octahedral spinel electrocatalysts for alkaline fuel cells. PNAS, 2019.

DOI: 10.1073/pnas.1906570116

https://doi.org/10.1073/pnas.1906570116

為加強科研合作，我們為海內外科研人員專門開通了多個催化以及能源材料化學交叉學科的專業科研交流微信群。加群方式：添加編輯微信 15280275174，備註：姓名-單位-研究方向（無備註請恕不通過），由編輯審核後邀請入群。

相關焦點

  • 【催化】負載錳鈷尖晶石的缺陷活性炭作為一種高效的氧還原電催化劑
    燃料電池因其高的能量轉化效率和無汙染的特點而被認為是目前最有發展前景的高效清潔發電技術，然而燃料電池遲緩的陰極氧還原反應極大地降低了其整體性能。目前來說，鉑（Pt）及其合金仍然是目前最為有效的催化劑。但是由於Pt資源稀缺、價格昂貴, 在直接甲醇燃料電池中，Pt還會受到甲醇的毒化作用而失去催化活性，並且其穩定性較差，這些問題在很大程度上限制了其商業化應用，因此設計與開發廉價高效穩定的ORR電催化劑對實現燃料電池的大規模商業化應用具有重要的意義。
  • 邁向低成本鹼性燃料電池的又一步
    耶魯大學的研究人員說，鈀-銀組合可以作為鹼性燃料電池中鉑的低成本替代品。（安德烈·泰勒實驗室/耶魯的插圖） 在一項新發表的研究中，工程師合成了用於鹼性燃料電池的不含鉑的催化劑，表明銀鈀多壁碳納米管在低溫燃料電池中的功效幾乎與鉑一樣。 耶魯大學的研究人員朝著開發低溫，低成本鹼性燃料電池又邁出了一步。鹼性燃料電池是類似於電池的設備，可將氧氣和氫氣轉化為電能和熱量。
  • 【技術】質子交換膜燃料電池催化劑研究進展
    目前國內公司和高校中喜馬拉雅、上海交通大學和大連化物所等實現了Pt/C催化劑的小規模化生產。但燃料電池商業催化劑的鉑載量一般為0.4mg/cm2，與美國能源部的目標值相距甚遠[4]。　　目前世界上有很多國家在質子交換膜燃料電池汽車方面開展了大量的研究和示範工作。表1展示了幾個具有代表性的汽車公司研發的燃料電池汽車的功率、鉑用量和耐久時長參數。
  • 俞書宏/高敏銳：非貴金屬合金高效催化鹼性燃料電池陽極反應
    （HOR）電催化劑。其中MoNi4合金的表觀電流密度首次超越商業Pt/C，並優於已報導的其它非貴金屬催化劑。該二元合金結構可以有效促進氫吸附和羥基吸附的協同優化，大大加速鹼性介質中氫氧化反應的緩慢動力學。背景介紹隨著氫氣燃料電池汽車市場化的加速，鉑族催化劑的儲量和成本問題嚴重限制了質子交換膜燃料電池的廣泛應用。
  • 19年氫燃料電池催化劑研究成果總結 不同領域獲新突破
    氫燃料電池是一種能夠將儲存在燃料（氫氣）和氧化劑（空氣中的氧氣）中的化學能直接轉換為電能的能量轉換裝置，其基本工作原理就是電解水的逆過程。氫燃料電池具有綜合能效高、環境友好、高可靠、啟動迅速等特性，在汽車領域應用普遍。氫燃料電池催化劑是氫燃料電池結構中的核心材料部件，也是電池正常、高效的運行保障。
  • 鎂燃料電池原理研究
    ：Mg2 2OH-→Mg(OH)2(s)　　Mg2 CO32-→MgCO3(s)　　析氫反應：Mg 2H2O→Mg(OH)2 H2↑　　3 電極的研究　　3.1正極　　鎂燃料電池正極是空氣中的O2等氧化劑，其參加反應需要一定的催化劑，這些催化劑能夠加速氧化劑在溶液中的電還原反應速率，因此催化劑的催化性能是影響電池性能的重要因素之一
  • 北航：電化學原位自重構誘導製備銅鐵礦類似物作為析氧反應催化劑
    高效析氧反應（OER）電催化劑材料的設計與製備是燃料電池層狀材料催化劑具有獨特的結構特徵，受到人們的廣泛關注。層狀化合物銅鐵礦材料發現於1873年，但由於其不良的導電性和固有活性，限制了其在電催化領域的應用。 研究團隊結合銅鐵礦和羥基氧化物兩種層狀結構的特點，通過理論模擬指導，將Ag插層在Co/FeO6八面體層間，設計合成出一種新型的類銅鐵礦結構。
  • 鎂燃料電池的研究進展
    >3 電極的研究3.1正極鎂燃料電池正極是空氣中的O2等氧化劑，其參加反應需要一定的催化劑，這些催化劑能夠加速氧化劑在溶液中的電還原反應速率，因此催化劑的催化性能是影響電池性能的重要因素之一，特別是針對氧化劑在中性溶液中的催化。
  • 韓國推出新型複合催化劑 有效提升MAB電池的充放電性能
    MAB是最輕、最緊湊的電池之一，採用由純金屬製成的負極，如鋰、鋅、鎂和鋁，以及空氣正極，通過大氣中的氧氣與金屬發生反應來產生電流。目前，MAB 電池採用鉑等貴金屬作為催化劑，雖然催化效果較好，但是成本太高，使其商業化應用受到阻礙。與此同時，作為替代的鈣鈦礦催化劑，表現出良好的催化性能，但是激活率較低。由於其高的理論能量密度，MAB被認為是下一代電動汽車的強大候選產品。
  • 燃料電池分類
    燃料電池按運行機理劃分，可分為酸性燃料電池和鹼性燃料電池。
  • 石墨烯提高燃料電池氧還原催化劑性能
    韓國蔚山國立科技大學（UNIST）研究團隊研發出一種具有高性能、高穩定性的無金屬催化劑。研究成果發表在科學期刊Nanoscale上。　　由於化石燃料的稀缺和日益增長的能源需求刺激了對能源轉換和儲能系統的研究，燃料電池因其顯著的能量密度和無環境汙染的優勢，在眾多的能量系統中脫穎而出。
  • 過程工程所開發出直接甲醇燃料電池選擇性電催化劑
    電子經外電路由陽極到達陰極，並通過外電路做功並構成電迴路。DMFC結構簡單、方便靈活，工作時間只取決於燃料攜帶量而不受限於電池的額定容量，近年來倍受產業界青睞。傳統的克服DMFC中甲醇滲透的策略包括改善燃料進料系統、提升質子膜性能、修飾電池電極結構和增加水管理系統等，這些策略一定程度上確實改善了電池的操作性能，但無疑使電池的設計趨於複雜並增加了電池製造的成本。
  • 中科大研製出新型氫氧燃料電池陰極催化劑
    中安在線、中安新聞客戶端訊 記者1月11日從中科大獲悉，中國科學技術大學曾傑教授團隊與國家同步輻射實驗室鮑駿教授團隊合作，研製出一種新型氫氧燃料電池陰極催化劑。該催化劑為超立方體框架結構，在氫氧燃料電池陰極反應中表現出高活性和高穩定性，為今後相關電催化劑的設計提供了新思路。
  • 中國科大等研製出新型氫氧燃料電池陰極催化劑
    中國科學技術大學教授曾傑團隊與國家同步輻射實驗室教授鮑駿團隊合作，研製出一種新型氫氧燃料電池陰極催化劑。該催化劑為超立方體框架結構，在氫氧燃料電池陰極反應中表現出高活性和高穩定性，為今後相關電催化劑的設計提供了新思路。該成果日前發表於《美國化學會志》。
  • 中國科大團隊研製出一種新型燃料電池陰極催化劑
    中新網合肥1月11日電 (記者 吳蘭)記者11日從中國科學技術大學獲悉，該校曾傑教授團隊與國家同步輻射實驗室鮑駿教授團隊合作，研製出一種新型氫氧燃料電池陰極催化劑。該催化劑為超立方體框架結構，在氫氧燃料電池陰極反應中表現出高活性和高穩定性，為今後相關電催化劑的設計提供了新思路。
  • 我國科學家研製出新型氫氧燃料電池陰極催化劑
    中國科學技術大學教授曾傑團隊與國家同步輻射實驗室教授鮑駿團隊合作，研製出一種新型氫氧燃料電池陰極催化劑。該催化劑為超立方體框架結構，在氫氧燃料電池陰極反應中表現出高活性和高穩定性，為今後相關電催化劑的設計提供了新思路。該成果日前發表於《美國化學會志》。燃料電池是一種化學電池，它利用物質發生化學反應時釋放出的能量，直接將其變換為電能。
  • 【2021 電池工程師培訓】中科大研製出新型氫氧燃料電池陰極催化劑
    記者1月11日從中國科學技術大學獲悉，該校曾傑教授團隊與國家同步輻射實驗室鮑駿教授團隊合作，研製出一種新型氫氧燃料電池陰極催化劑。該催化劑為超立方體框架結構，在氫氧燃料電池陰極反應中表現出高活性和高穩定性，為今後相關電催化劑的設計提供了新思路。該成果日前發表於《美國化學會志》。
  • 研究人員制高效催化劑 燃料電池至少穩定運行180小時
    (圖源：greencarcongress)蓋世汽車訊據外媒報導，國際研究小組合成具有鉑皮結構的一維串狀鉑鎳合金納米籠，用作燃料電池中氧還原反應的催化劑。這種納米籠催化劑的質量活性高達每毫克鉑3.52安培，比活性也很高，達到每平方釐米鉑5.16安培，幾乎分別是商用鉑碳催化劑的17倍和14倍。該催化劑經過5萬次循環後，表現出高穩定性，幾乎沒有任何活性衰減。實驗結果和理論計算表明，應變和配體效應導致的強鍵合鉑氧位點較少。在這種催化劑的支持下，燃料電池在0.6V電壓下的電流密度達1.5A/cm2，並能穩定運行至少180小時。
  • 鋁空氣電池研究現狀及發展趨勢詳解
    當使用強鹼性電解液時，鋁的鈍化減少，且鹼液可吸納一定量的反應產物氫氧化鋁，電池的性能相對較好，但鋁是兩性金屬，在強鹼性環境中會發生強烈的析氫腐蝕，放出大量氫氣，降低電池的輸出功率和陽極利用率，在大電流密度下更嚴重。如果是單純的解決上述問題可以選擇定期更換電解液和向電解液中加入能活化鋁陽極表面和抑鋁析氫腐蝕的添加劑來解決上訴問題。
  • 「舊瓶裝新酒」—電紡絲製備分級多孔納米網絡纖維燃料電池催化劑
    武剛團隊AM：「舊瓶裝新酒」——電紡絲製備分級多孔納米網絡纖維燃料電池催化劑本文來自微信公眾號：X-MOLNews以可再生氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種很有發展前途的能量轉換設備，兼具高能量密度、高能源轉化效率以及零排放等優點。