铂分解技术提高燃料电池中铂利用率

通过使用加拿大光源中心(CLS)的同步加速器，研究人员发现，将昂贵的铂金属分解成纳米粒子(甚或是单个原子)可制造出更低成本的燃料电池。

在麦克马斯特大学、CLS同步加速器、巴拉德动力系统公司的通力合作下，研究人员开发出一种利用原子层沉积的新方法。这种表面科学技术可用于对化合物进行沉积，创建单原子催化剂。

通常用作催化剂的铂金属是非常昂贵的，但其只有表面的原子可起作用。该技术已基本可以将铂分解成“尽可能小”的部分，从而使其表面积得到最大化。

■蒋庆来

低温燃料电池，如质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池，由于具有环境友好、快速启动、无电解液流失、寿命长、功率密度和能量密度高等优点，在电动汽车动力电源、移动电源、微型电源及小型发电装置等方面显示出广阔的应用前景。

燃料电池的阴极氧还原反应是燃料电池电催化反应的速度控制步骤，燃料电池氧还原催化剂是燃料电池电催化研究的热点之一。目前，含铂催化剂是性能最好、使用最广泛的低温燃料电池氧还原催化剂，铂金属价格昂贵、资源紧缺制约低温燃料电池商业化进程。

铂催化剂具有比较大的表面积，具有很强的吸附性，通常用作催化剂的铂金属只有表面的原子可起作用，表面之下的其他原子不具有作为催化剂的功能，铂的有效利用率只有10%至20%。通过减小铂粒径，增加铂的比表面积，可大大提高每个铂原子的使用效率。

近年来，由于催化剂和膜电极制备技术的进步，Pt的使用量从10~50 g·m-2降低到了目前的1～10 g·m-2，催化剂中Pt的粒径从约10 nm降低到现在的1~3 nm。据《科学报告》杂志报道，在麦克马斯特大学、CLS同步加速器、巴拉德动力系统公司的通力合作下，研究人员开发出一种利用原子层沉积(ALD)的新方法，将昂贵的铂金属分解成纳米粒子(平均粒径1~2nm)并负载在石墨烯上，得到ALD Pt/GNS催化剂。采用该催化剂进行甲醇催化氧化，与ETEK公司商品化的Pt/C催化剂相比，在同样的铂负载量情况下，可显著减小其过电位，电流密度可达到其9.5倍，并能够更好地抑制CO中毒，该技术将大大提高催化剂中铂的利用率。

该研究成果提出了设计高活性下一代催化剂的新路径，但距规模生产和应用尚有一系列的工程技术课题需解决。一是此类(亚)纳米材料的比表面积非常大，表面活性很高，很容易团聚，以至难以加工和使用，且使用寿命难以保障，如何控制使得材料在加工和使用过程中不团聚将是一大课题;二是新催化剂材料可减少铂的使用，加工成本也不容小视，如何降低催化剂材料的整体成本(包括原材料和加工成本)，真正让燃料电池成本更低是接下来需要解决的重要课题之一。由此看来，该技术成果离真正商业化应该还有一定的距离。

在探索含铂催化剂新的制备方法和改进原有的制备方法、探索低Pt催化剂体系的同时，开发低成本、高效的非Pt催化剂体系方面，研究者也进行了大量而艰苦的努力，并取得了重要的研究成果。

例如，近期美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和橡树岭国家实验室科学家携手，用碳(部分源于高温过程产生的聚苯胺)、廉价的铁和钴研制出了一种新的非铂基催化剂，将其应用于氢燃料电池阴极氧还原。用铁、钴等廉价金属取代比金更贵重的铂，能够从根本上解决催化剂原材料资源稀缺、成本高的问题，但与此同时非铂催化剂的催化效率还有待提高。

期盼更多的研究成果能够涌现出来，真正缓解目前低温燃料电池面临的成本高的问题，推动低温燃料电池商业化进程。