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纳米催化剂可耐受燃料电池中的一氧化碳,将不纯氢转化为电能
时间:2020-10-10 文章来源:
  

      用密度泛函理论优化的计算模型叠加在高分辨率扫描透射电子显微镜(STEM)图像(白点)上。钌保留了其结构,核心处具有ABAB堆积顺序(蓝点),铂金壳切换为独特的ABCABC堆积顺序。

Brookhaven国家实验室的研究人员开发了一种高性能的纳米催化剂,可以耐受燃料电池中的一氧化碳,为零排放车辆开辟了新的廉价途径。

     纽约厄普顿—为了利用氢作为未来的清洁燃烧燃料,寻求完美的催化剂-增强化学反应的纳米级机器。科学家必须调整原子结构,以实现反应性,耐久性和工业规模合成的最佳平衡。在新兴的催化领域,科学家还寻求能耐受一氧化碳的纳米颗粒,一氧化碳是天然气中氢的有毒杂质。这种不纯的燃料(比由水产生的纯氢便宜40%)仍未开发。

     现在,美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的科学家(于2013年9月18日在线发表在《自然通讯》杂志上的研究中)创造了一种满足所有这些要求的高性能纳米催化剂。新颖的核壳结构(涂有铂的钌)可抵抗一氧化碳的损害,因为它推动了电动汽车燃料电池和类似技术的核心能量反应。

     该研究的共同作者和布鲁克海文实验室化学家贾旺说:“这些纳米粒子在钌和铂中均表现出完美的原子序,克服了以前破坏一氧化碳的催化剂的结构缺陷。” “正如原子级成像技术所揭示的那样,我们高度可扩展的'绿色'合成方法为催化和可持续性开辟了令人兴奋的新可能性。”


原子完美制造晶体

     燃料电池内的催化剂撬开氢分子的内在能量并将其转化为电能。铂在纯氢燃料中的表现异常出色,但是这种金属的高成本和稀有性阻碍了其广泛应用。然而,通过在较便宜的金属上镀铂原子薄层,科学家可以保留反应性,同时降低成本并创建具有优异性能参数的核壳结构。

     由天然气形成的氢气中的一氧化碳杂质对科学家提出了另一个挑战,因为它们会使大多数铂催化剂失活。钌(比铂便宜)可提高一氧化碳的耐受性,但在燃料电池启动/关闭过程中更易于溶解,导致性能逐渐下降。

     Wang说:“我们着手使用仅一两个原子厚的完整铂金壳来保护钌核免于溶解。” “先前的表面科学研究发现,在这种核-壳结构中,表面特性发生了显着变化,这表明需要和机会通过精确控制来完善配方。”

     对于铂壳能否实现高度有序的钌核,人们存有疑问-先前合成的纳米粒子在钌中的晶体结构较弱。

     Wang说:“幸运的是,我们发现钌结构的损失是由于缺陷介导的层间扩散所致,这是可以避免的。” “通过在添加铂之前消除钌纳米颗粒中的任何晶格缺陷,我们保留了每个元素至关重要的离散原子结构。”

     可扩展且廉价的合成方法使用乙醇(一种常见且廉价的溶剂)作为还原剂来制造纳米颗粒的核和壳。复杂的过程不需要其他有机试剂或金属模板。

     Brookhaven实验室化学家Radoslav Adzic说:“只需调节溶液的温度,水和酸度,我们就可以完全控制该过程,并获得非常一致的钌纳米颗粒尺寸和均匀的铂涂层。” “这种简单性提供了高重现性和可扩展性,并且证明了我们方法的明显的商业潜力。”


     核壳表征

     Wang说:“我们将完成的催化剂带到实验室的其他设施,以揭示原子结构的确切细节。” “只有当您与世界一流的专家和仪器相邻工作时,这种快速的协作才有可能。”

     Brookhaven实验室国家同步加速器光源(NSLS)的科学家使用一种称为X射线衍射的技术揭示了纳米催化剂中金属的原子密度,分布和均匀性,该技术在高频光与单个原子相互作用后发生散射和弯曲。合作还使用了位于布鲁克海文的功能纳米材料中心(CFN)的扫描透射电子显微镜(STEM)来确定不同的亚纳米原子图案。用这种仪器,聚焦的电子束轰击了粒子,形成了核和壳结构的图。

     “我们发现元素在核-壳边界处没有混合,这是一个关键的进步,” CFN物理学家,STEM专家,共同作者Dong Su说。“每个元素中的原子有序排列,再加上正确的理论模型,可以告诉我们新型纳米催化剂如何以及为何发挥其神奇作用。”

     确定内核和外壳的理想功能配置还需要使用CFN在计算科学方面的专业知识。通过密度泛函理论(DFT)计算,计算机可以帮助确定能量最稳定的铂钌结构。

     “ DFT分析将性能和配置之间的点联系在一起,它证实了我们从X射线衍射和电子显微镜观察到的直接结果,” Adzic说。

     发现到部署

     致力于燃料电池生产的公司Ballard Power Systems独立评估了新型核壳型纳米催化剂的性能。除了测试低铂催化剂在纯氢气中的高活性外,巴拉德还专门研究了不纯氢气中存在的对一氧化碳的抗性以及启动/关闭循环中的抗溶解性。双层纳米催化剂表现出高的耐久性和增强的一氧化碳耐受性,这种结合可以使用不纯的氢,而不会造成效率的极大损失或催化剂成本的增加。

     纳米催化剂在通过析氢反应生产氢气方面也表现出色,从而导致了另一项工业合作。Proton Onsite是一家专门从水和其他类似过程中分离氢的公司,已经完成了将技术应用于其水电解槽生产的可行性测试,该工艺现在将减少约98%的铂。

     Wang说:“水电解器已经在市场上,因此这种纳米催化剂可以快速部署。” “当氢燃料电池汽车在未来几年中推出时,这种新结构可能会通过降低金属催化剂和燃料的成本来加速发展。”

     布鲁克黑文国家实验室的功能纳米材料中心是五个DOE纳米级科学研究中心(NSRC)之一,这是纳米级跨学科研究的主要国家级用户设施。NSRC共同构成了一套补充设施,为研究人员提供了制造,加工,表征和建模纳米级材料的最先进能力,并构成了国家纳米技术计划的最大基础设施投资。NSRC位于美国能源部的阿贡,布鲁克海文,劳伦斯·伯克利,橡树岭和桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室。

     国家同步加速器光源(NSLS)为红外,紫外线和X射线提供强光束,用于物理,化学,医学,地球物理学以及环境和材料科学的基础研究和应用研究。在美国能源部基础能源科学办公室的支持下,NSLS是世界上使用最广泛的科学机构之一。

     美国能源部科学办公室是美国物理科学领域基础研究的最大支持者,并且致力于解决当今时代最紧迫的挑战。

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