新型燃料電池催化劑可大幅節省成本

燃料電池本有可能成為汽車、電腦和發電站的一種清潔高效的動力來源，但是高昂的生產成本卻限制了它們的應用。這是因為常見燃料電池的關鍵組成部分——催化劑，是由貴金屬鉑制成的。

在今天發表于 Small上的一篇文章中，加州大學河濱分校的研究人員描述了一種廉價高效的用于制造聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC）的催化劑材料。聚合物電解質膜燃料電池是目前最有前途的燃料電池之一，它能將氫的化學能轉化為電能來驅動汽車和電子產品。

這種由加州大學河濱分校開發的催化劑是由多孔碳納米纖維制成的，而這種納米碳纖維一般又是由儲量相對豐富的金屬（比如鈷，它的價格比鉑便宜100倍）制成的。這項研究是由加州大學河濱分校能源創新中心兼羅斯瑪麗伯恩工程學院的溫斯頓講席教授David Kisailus領導的。

相比于傳統的燃燒技術，燃料電池具有效率高、噪音小和排放低的優點，也因此受到了一些汽車制造商的青睞。而其中氫燃料電池的排放物更是只有水而已。

和普通電池一樣，燃料電池也是一種將電解質夾在陰極和陽極之間的電化學裝置。將氫燃料注入陽極后會被催化劑分解成兩種粒子，分別為帶正電荷的質子和帶負電荷的電子。在帶正電荷的氫離子和陽離子相結合形成水之前，這些通過外部電路傳導的電子會在傳導過程中為一些工作提供能量，比如給電動馬達供電。

限制燃料電池應用的一個關鍵因素就是鉑高昂的成本，而這種催化劑的替代材料的開發將成為燃料電池實現大規模應用的關鍵環節。

加州大學河濱分校的研究人員使用 “電紡”的技術制造了一層薄如紙的碳納米纖維，里面含有鈷鐵鎳等金屬離子。在加熱過程中，這些離子形成了超細金屬納米粒子，將碳催化轉化為高性能石墨碳。隨后，金屬納米粒子和殘余的非石墨碳被氧化，從而形成了一個多孔的、有用的金屬氧化物納米顆粒網絡，而金屬氧化納米粒子就分散在多孔的石墨網絡中。

Kisailus和他的團隊通過與斯坦福大學科學家合作，確定了這種新材料與工業標準鉑碳系統的表現平分秋色，但它的成本卻比鉑碳系統的成本要低得多。加州大學河濱分校的研究人員開發了一種低成本、高效的催化劑材料，用于制造聚合物電解質膜(PEM)燃料電池，這種燃料電池是最具潛力的燃料電池類型，可以為汽車和電子產品提供動力。

Kisailus說:“化學和纖維加工條件的結合是使這些材料具有高性能的關鍵。它們卓越的電化學特性主要歸功于協同效應，而協同效應則來源于暴露活性位點的金屬氧化物工程和三維分層多孔石墨結構。”

Kisailus還補充說到，催化納米復合材料的另一個好處是，它的石墨纖維特性使它還具有一定的強度和耐用性，這將它不僅可以作為燃料電池催化劑，還可以作為一種結構部件。

他最后說到說:“制造高性能汽車的一個重大挑戰是在不影響性能和安全性的前提下減輕汽車重量，這里所說的汽車重量既包括汽車車身的重量，還包括電池或燃料電池的額外重量。而我們制造的材料可以幫助汽車制造商將汽車發動機罩或底盤等結構部件轉變為有助于提高汽車動力的功能部件。”