中外研究人员开发新催化剂 推进直接乙醇燃料电池发展

据外媒报道，美国和中国的研究人员开发了一种催化剂，解决了直接乙醇燃料电池 (DEFC) 长期以来存在的三个关键问题：效率低、催化材料成本高以及电芯内的化学反应具有毒性。这为推广由直接乙醇燃料电池驱动的清洁汽车开辟了道路。

（图片来源：俄勒冈州立大学）

由中佛罗里达大学（University of Central Florida）、俄勒冈州立大学（Oregon State University）、匹兹堡大学（University of Pittsburgh）和中国深圳南方科技大学（Southern University of Science and Technology）的研究人员组成的团队发现，将氟原子置入钯-氮-碳催化剂中具有诸多积极影响，包括使功率密集型电池保持稳定近6000小时。

最近，在许多“缓慢”的新兴电催化系统中，局部配位环境（LCE）被证明在促进反应动力学方面发挥着重要作用。例如，高能直接乙醇燃料电池（DEFC）的广泛应用，受到“缓慢的”12电子乙醇氧化反应（EOR）和4电子氧还原反应（ORR）的阻碍。

经典设计是通过在导电碳载体中嵌入金属-氮（OM-N）活性基团来改善ORR动力学，从而形成M-N-C配位。其它杂原子（X=P，S，B等）也嵌入碳载体中，形成M-X-C配位，以改善ORR动力学，这极可能是通过原子间的协同作用来进行的。LCE被认为是低维催化剂的重要调节因素，如单原子位点催化剂，因其对LCE具有较高的灵敏度。然而，如何在大尺寸催化剂（即纳米材料和商用材料）中实现LCE概念，这一根本问题仍未解决。EOR顺利进行的前提条件是至少有三个连续的原子位点，这使调控LCE变得更难。

研究人员为此通过有效策略设计来调控LCE，并在M/X–C催化剂中创建催化M–X基团，在其中引入F配位，以削弱C-X键并驱动X原子至金属位点。尤其是使用经典Pd/N–C作为模型催化剂来验证概念，并探索潜在材料化学特性，因其对EOR和ORR具有双重功能。据证明，对于调节其他Pd/X–C (X = P, S, B)和商用催化剂 (Pd/C和Pt/C)的LCE，这一策略也是有效和通用的。

研究人员正在筹集资金，以开发用于便携式设备和车辆的DEFC单元原型。如果成功的话，可以在五年内推出一款商业化设备。

研究人员表示，第一辆由乙醇燃料电池驱动的汽车是在2007年开发的。然而，由于DEFC的效率低、催化剂成本，而且燃料电池内反应产生的一氧化碳可能导致催化剂中毒，该类汽车的深入发展明显滞后。为了解决这些问题，研究团队开发了高性能钯合金催化剂，与目前的钯基催化剂相比，这种催化剂使用的贵金属更少。

该团队证明，在钯-氮-碳催化剂中引入氟原子，可以改变钯周围的环境，从而提高电芯中两类重要反应的活性和耐久性，包括乙醇氧化反应和氧还原反应。在阿贡进行的先进同步加速器X射线光谱表征表明，引入氟原子可以创造更富氮的钯表面，从而促进催化过程。通过抑制钯迁移和减少碳腐蚀，提高耐久性。