PNNL领导的团队设计出用于燃料电池的高活性耐久钴催化剂
由太平洋西北国家实验室（PNNL）的材料科学家领导的多机构研究小组设计了一种高度活性和耐用的钴催化剂，该催化剂不依赖昂贵的铂族金属（PGM）来刺激必要的化学反应。
新催化剂含有夹杂着氮和碳的钴。与由铁制成的结构相似的催化剂（另一种有希望的，经过充分研究的铂替代物）相比，研究小组发现钴催化剂达到了类似的反应，但耐久性是其四倍。该研究发表在《自然催化》上。
对于质子交换膜燃料电池中的氧还原反应而言，开发不含铂族金属并且具有高活性和耐久性的催化剂是一个巨大的挑战。在这里，我们报告了一种原子分散的Co和N共掺杂碳（Co–N–C）催化剂，其催化氧还原反应活性与类似合成的Fe–N–C催化剂相当，但具有四倍的耐用性。
Co-NC催化剂在1.0 bar H 2 / O 2燃料电池中在无0.9 V iR（内部电阻补偿电压）的情况下实现了0.022 A cm -2的电流密度和0.64 W cm -2的峰值功率密度，高于文献中报道的非铁铂族无金属催化剂。
重要的是，我们确定了金属（M）–NC催化剂的两种主要降解机理：自由基对催化剂的氧化作用和活性位的脱金属作用。Co–N–C相对于Fe–N–C的增强的耐久性归因于Co离子对Fenton反应的活性较低，Fenton反应从主要的氧还原反应副产物H 2 O 2产生自由基，并且显着增强Co-NC的抗脱金属性。-Xie et al.。
通常设想质子交换膜或PEM燃料电池与氢气配对使用，以实现跨不同领域的多种应用，包括运输，固定和备用电源，金属制造等。这些高效，清洁的能源转换设备需要非常活跃的催化剂来进行化学反应。
铂族金属是PEM燃料电池中生产效率最高的催化剂材料，但它们约占燃料电池成本的一半。
科学家们正在研究过渡金属（例如铁）作为铂的有前途的替代品，但他们发现它们在酸性PEM燃料电池环境中会迅速降解。
钴是一种过渡金属，相对于铂，它便宜且丰富。先前的研究表明，钴的活性远低于铁基催化剂。
我们知道，由氮和碳构成的钴结构是催化剂有效反应的关键，并且活性位点密度对性能至关重要。我们的目标是真正提高钴基催化剂的反应活性。负责这项研究的PNNL材料科学家Yuyan Shao说。
该团队将钴基分子固定在沸石咪唑酸盐骨架的微孔中，这些分子用作保护性栅栏，以降低钴原子的迁移率并防止其聚集在一起。然后，他们使用高温热解将原子转化为骨架内的催化活性位。
两步封装和配体交换方法可将CoN 4复合物有效地引入ZIF-8微孔中。随后的一步热解产生原子CoN 4位点分散到多孔碳中。xie等。
在这种结构内，他们发现活性位点的密度显着增加，从而增加了反应活性。实际上，迄今为止，这已实现了燃料电池中非铁，铂族无金属催化剂的最高活性。
研究小组还发现，钴基催化剂比使用相同方法合成的铁基催化剂更耐用。他们首次发现脱金属的显着差异，其中金属离子从催化剂中浸出，然后该催化剂失去活性。他们还发现，过氧化氢中的氧自由基是燃料电池中氧还原的副产物，会腐蚀催化剂并造成性能损失。获取更多前沿科技信息访问：https://byteclicks.com
与PNNL一起，来自圣路易斯华盛顿大学的研究人员；阿贡国家实验室；洛斯阿拉莫斯国家实验室；橡树岭国家实验室；纽约州立大学布法罗大学；匹兹堡大学；与北伊利诺伊大学合作进行了这项研究。
