燃料电池催化剂贵金属替代研究获突破

在燃料电池领域，目前使用性能相对稳定的金属铂作为电极催化剂。然而，铂的稀缺与昂贵限制了燃料电池的大规模应用。中科院大连化物所包信和院士带领的团队，创造性地给金属铁纳米催化剂穿上碳纳米层“铠甲”，提高了铁基催化剂在燃料电池中的稳定性和抗中毒能力，为未来非贵金属催化剂最终在燃料电池中的应用指明了方向。包信和团队经过多年研究，将金属铁纳米粒子限域到具有豆荚状结构的碳纳米管的管腔中。研究证实，在这一体系中，包裹纳米金属铁的碳层阻断了反应气体与铁纳米粒子的直接接触，从原理上避免了反应过程中活性金属铁纳米粒子的深度氧化，以及其他有害组分对催化剂的毒化，解决了纳米金属铁作为燃料电池阴极催化剂的稳定性难题。研究人员进一步对包裹金属铁纳米粒子的碳纳米管壁进行杂原子（如氮原子）掺杂并同时改变金属纳米粒子组分，制得了氮掺杂碳纳米管限域的铁-钴纳米合金催化新材料，并将其替代传统的铂碳催化剂应用于燃料电池电极反应中，在10ppm的有害成分硫存在时，电池保持了优异的活性和稳定性。这相当于给容易“受伤”的金属铁纳米粒子“穿”上了一副由碳纳米管制成的“铠甲”，而铁原子的活性d电子犹如士兵的双手一样可以在“铠甲”外自由活动，完成催化氧分子的还原反应，从而实现燃料电池在酸性环境中稳定运行，并显著提高了其在实际运行中的抗中毒能力。 （文/李大庆）