帝國(guó)理工學(xué)院發(fā)明更便宜的氫氣燃料電池催化劑

氫燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，僅有水蒸氣作為副產(chǎn)品，使其成為吸引人的便攜式電源的綠色替代品，特別是用于車(chē)輛。然而，其中一個(gè)主要部件的費(fèi)用阻礙了其廣泛采用。燃料電池依靠由鉑金制成的催化劑，這種催化劑既昂貴又稀缺，但是可以幫助產(chǎn)生電力的反應(yīng)。

現(xiàn)在，一個(gè)由倫敦帝國(guó)學(xué)院研究人員領(lǐng)導(dǎo)的歐洲團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)造了一種僅使用鐵、碳和氮的催化劑，這些材料既便宜又容易獲得，并可以被用來(lái)操作高功率的燃料電池。他們的成果今天（2022年4月25日）發(fā)表在《自然-催化》上。

首席研究員、帝國(guó)理工學(xué)院化學(xué)系的Anthony Kucernak教授說(shuō)。"目前，單個(gè)燃料電池的成本中約有60%是用于催化劑的鉑金。為了使燃料電池成為化石燃料汽車(chē)的真正可行的替代品，例如，我們需要降低這一成本。現(xiàn)在，更便宜的催化劑設(shè)計(jì)應(yīng)該使這成為現(xiàn)實(shí)，并允許部署更多使用氫氣作為燃料的可再生能源系統(tǒng)，最終減少溫室氣體排放，使世界走上凈零排放的道路。"

該團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新是生產(chǎn)一種催化劑，其中所有的鐵都以單原子的形式分散在導(dǎo)電的碳基質(zhì)中。單原子鐵的化學(xué)性質(zhì)與散裝鐵不同，散裝鐵的所有原子都聚集在一起，使其更具反應(yīng)性。這些特性意味著鐵可以促進(jìn)燃料電池中所需要的反應(yīng)，作為鉑金的良好替代品。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，研究小組表明，單原子鐵催化劑的性能接近于實(shí)際燃料電池系統(tǒng)中基于鉑金的催化劑。

除了為燃料電池生產(chǎn)一種更便宜的催化劑外，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)創(chuàng)造的方法還可以適用于其他工藝的催化劑，如使用大氣中的氧氣作為反應(yīng)物而不是昂貴的化學(xué)氧化劑的化學(xué)反應(yīng)，以及在使用空氣去除有害污染物的廢水處理中。

研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的方法來(lái)制造一系列單原子催化劑，為實(shí)現(xiàn)一系列新的化學(xué)和電化學(xué)過(guò)程提供了機(jī)會(huì)。具體來(lái)說(shuō)，研究人員使用了一種獨(dú)特的合成方法，稱(chēng)為轉(zhuǎn)金屬化，以避免在合成過(guò)程中形成鐵簇。這一過(guò)程應(yīng)該有利于其他希望制備類(lèi)似類(lèi)型催化劑的科學(xué)家。