同志社大學正在討論進一步降低成本的方法,比如在鈀中添加廉價的材料,或者內核采用價格比鈀更便宜、每克僅約4元的銀。 在碳中添加微量氮制作催化

燃料電池走向普及 低成本競爭取得進展

同志社大學正在討論進一步降低成本的方法,比如在鈀中添加廉價的材料,或者內核采用價格比鈀更便宜、每克僅約4元的銀。

在碳中添加微量氮制作催化劑

為實現終極的鉑用量削減,完全不使用鉑等貴金屬的新型催化劑也在開發之中。其中,東京工業大學正在帝人、旭化成化學和東芝燃料電池系統等企業的協助下,開發“碳合金催化劑”。這種催化劑的主要成分是碳(C),其中添加了百分之幾的氮(N)原子等。其詳細機制并未公布,據稱,雖然沒有使用貴金屬,但是是一種具備氧還原活性的獨特材料。如果能實現實用,有望大幅削減催化劑的成本。

碳合金催化劑以前一般是在碳黑等現有碳材料中添加氮后,為使構造穩定、提高耐久性而進行熱處理來獲得。但進行高溫處理的話,催化劑的活性又會降低。為此,東京工業大學開發出了在制成含氮的聚酰亞胺微粒后,進行多級熱處理來獲得碳合金催化劑的新方法(圖5)。

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圖5:通過多級熱處理制造碳合金催化劑

東京工業大學開發出了對合成的聚酰亞胺微粒進行多級熱處理、從而獲得碳合金催化劑的方法(a)。1A/cm2時接近了當前的目標值0.6V(b)。(圖由《日經電子》根據東京工業大學的資料制作)

具體方法是,先重合兩種材料進行200℃的熱處理,獲得含氮的聚酰亞胺微粒;然后在氨氣環境等條件下以600℃、800℃、1000℃的溫度分階段對其進行熱處理。這樣,無需減少作為催化劑活性點的氮用量,就能制成碳合金催化劑。這種方法的優點是,可兼顧耐久性和催化劑活性,而且能自行合成用于碳合金催化劑的聚酰亞胺微粒,因此對于今后提高特性也有好處。實際上,東京工業大學通過優化重合條件,把聚酰亞胺微粒的直徑由300nm左右縮小到了150~200nm。

東京工業大學利用以新方法獲得的碳合金催化劑,在廠商的協助下制成膜電極組件(MEA)實施了單個電池單元的實驗。結果證實,能獲得接近當前目標發電特性的值。不過,由于現在是在純氧環境下做的實驗,要想在氧濃度只有20%左右的空氣中獲得相同的特性,需要提高催化劑活性點的密度。東京工業大學正討論改良方法,打算使其形狀接近粒度僅幾十nm的碳黑。

[責任編輯:趙卓然]

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