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風能和太陽能等可再生能源正在迅速改變能源格局

目前,風能和太陽能等可再生能源正在迅速改變能源格局,科學家們急于尋找更好的儲能方法,以備不時之需。燃料電池將化學能轉化為電能,有可能是一種長期儲能方案,也許有一天,不用燃燒燃料就能為卡車和汽車提供動力。為了推廣燃料電池,化學家和工程師們需要找到方法,使這項技術更具成本效益和穩定性,才能實現廣泛應用。

據外媒報道,賓夕法尼亞大學研究人員展示,如何利用定制納米材料來應對這些挑戰。研究人員采用更便宜、廣泛使用的金屬,制造燃料電池,通過原子級設計,使材料具有長期穩定性。此項研究在賓大整合知識學院Christopher Murray教授所在的實驗室進行,由研究生Jennifer Lee領頭。

風能和太陽能等可再生能源正在迅速改變能源格局

燃料電池依賴正負兩個電極進行化學反應并產生動力,兩個電極之間的電解質促進離子移動。當燃料進入負極時,催化劑會將分子分解成質子和電子。然后,電子又流向正極,并產生電流。催化劑通常由鉑等貴金屬制成。但是,由于化學反應只能在材料表面進行,任何末出現于表面的原子都會被浪費掉。同時,讓催化劑長時間保持穩定也很重要,因為燃料電池很難更換。

為了解決這兩個問題,化學家嘗試設計表面含鉑的納米定制材料,并大量使用鈷等更常見的金屬,來提供穩定性。Murray團隊擅長制造良好受控的納米材料,即納米晶體,可以控制所有復合納米材料的大小、形狀和構成。 在本項研究中,Lee重點研究一種特殊燃料電池的正極催化劑,稱為質子交換膜燃料電池。她表示:“正極存在的問題更大,因為所使用的要么是鉑,要么是鉑基材料,不僅價格昂貴,而且反應速度慢。優質燃料電池的設計重點在于正極催化劑。”

ishkariani解釋說,他們面臨的挑戰在于,使正極中鉑和鈷原子形成穩定的結構。“我們很清楚,鈷和鉑可以混合。但是,如果將這兩種元素制成合金,就會形成隨機順序的鉑和鈷。而隨機加入的鈷會滲入電極,導致燃料電池的工作時間很短。”為了解決這一問題,研究人員設計出一種由層狀鉑和鈷構成(金屬間相)的催化劑。在催化劑中,精確控制每個原子的位置并鎖定結構,比起隨機加入的時候,正極催化劑的工作時間更長。研究人員意外發現,系統中添加的鈷越多,效率越高。鉑鈷比達到1:1時,效果最好。

接下來,研究人員將對燃料電池組件中的金屬間材料進行測試和評估,以便與商用系統直接進行比較。Murray團隊還將探討新的方法,在非高溫情況下創造金屬間結構,并觀察額外添加原子能否提高催化劑性能。這項研究需要高分辨率顯微鏡成像。

Murray將這項基礎研究視為起點,未來將推動商業實施和實際應用。她強調,以后的進展取決于目前的前瞻性研究。“想想這個世界,我們正在逐漸減少對傳統化石燃料的投入,如果能搞清楚電能和化學能這種相互轉換的過程,可以同時解決若干極為重要的問題。”

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