新催化剂“唤醒”燃料电池

来源：中国科学报 发布时间：2013-11-27

　  开发具有高氧气还原催化活性、抗甲醇干扰和高稳定性的廉价氧气还原催化材料一直是业内研究的热点领域。

　　随着全球能源危机的到来，以及环境污染问题的日益严重，可持续能源的开发利用越来越多地被人们关注并寄予厚望，其中就包括可持续能源的储存与转化。

　　氧气还原催化材料引关注

　　燃料电池因其优越的性能和环境无污染性，一直是可持续能源研究领域的热点之一。燃料电池的能量转化效率高，它可以直接将燃料的化学能转化为电能，中间不经过燃烧过程，因而不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%～60%，而火力发电和核电的效率大约在30%～40%。

　　其中，作为整个燃料电池反应决速步骤的阴极氧气还原反应尤为重要，因为其效率高低直接决定整个燃料电池的效率水平。

　　然而，由于其采用贵金属铂或合金纳米粒子作为电极催化材料，使燃料电池的发展受到很大限制。据初步估算，燃料电池中铂材料的成本占整个燃料电池成本的40%左右。此外，铂催化剂还具有另一大缺点——抗甲醇毒化性较差，而这直接导致电池的使用效率大大降低。

　　因此，开发具有高氧气还原催化活性、抗甲醇干扰和高稳定性的廉价氧气还原催化材料一直是业内研究的热点领域。

　　银的价格不到铂的2%，且对氧气还原具有一定的催化活性，很有希望成为用来替代铂的氧气还原反应电催化剂。不过，从实际效果来看，银的性能还远不如铂催化剂。

　　考虑到催化剂的电催化活性与催化剂颗粒之间有效的电子传递有着密切的关系，中科院过程所的研究人员经过不懈努力，终于研发出一种将银纳米粒子与高导电性载体碳纳米管复合的方法，从而有效地提高了银纳米粒子的电催化活性。

　　与零维的银纳米粒子相比，一维银纳米线（Ag NWs）由于其超高的导电性，也是另一种潜在的高效氧还原催化剂。但目前报道其效果还无法令人满意。研究人员觉得，导致银纳米线催化活性低的主要原因可能与其低长径比有关，因而无法形成有效的电子传递通道。

　　银纳米网与石墨烯“完美结合”

　　如果能够制备一种由具有高长径比的银纳米线组成的二维银纳米网络结构材料（Ag NN）)，由于具有更好的电导和热导性能，因此与零维、一维材料相比应该会具有更好的催化活性与稳定性能。并且，由于它们不容易发生聚集、溶解以及Ostwald熟化，Ag NN有望成为一种新型的氧气还原反应高活性电催化剂。

　　此外，为了提高催化剂的电催化活性，研究人员又通过用更高导电性的石墨烯作为负载材料，得到了进一步提升复合材料的电催化活性的效果。

　　最近，从中科院过程工程研究所传来好消息，在国家自然科学基金委的大力支持下，该所的研究人员发展了一种简单普适的方法，制备了由长径比高达2000的银纳米线自编织而组成的银纳米网/石墨烯纳米复合材料。

　　研究人员通过采用多酸（POMs）作为唯一的还原剂、包覆剂，在室温下一步同时还原金属离子以及氧化石墨（GO），成功大规模地制备了二维Ag NN@POM-GNSs纳米复合材料，多酸在银纳米网与石墨烯之间同时起了链接剂的作用。

　　研究发现，该材料具有很好的电催化氧气还原反应性能，其电催化的起始电位已经接近了商业铂/碳材料，并且在很大电压范围内，比铂/碳材料具有更大的极限电流密度及更好的稳定性能，还具有很好的抗甲醇干扰性能。

　　尤其值得注意的是，该复合材料具有比商业化的铂/碳材料更好的催化稳定性，有望实现对贵金属铂的替代。特别是这种复合材料制备工艺简单，可方便地实现规模化生产，产业化前景乐观，值得期待。

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