新催化劑“喚醒”燃料電池生命力
2013年11月27日09:22 來源：《中國科學報》 手機看新聞
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開發具有高氧氣還原催化活性、抗甲醇干擾和高穩定性的廉價氧氣還原催化材料一直是業內研究的熱點領域。
隨著全球能源危機的到來，以及環境污染問題的日益嚴重，可持續能源的開發利用越來越多地被人們關注並寄予厚望，其中就包括可持續能源的儲存與轉化。
氧氣還原催化材料引關注
燃料電池因其優越的性能和環境無污染性，一直是可持續能源研究領域的熱點之一。燃料電池的能量轉化效率高，它可以直接將燃料的化學能轉化為電能，中間不經過燃燒過程，因而不受卡諾循環的限制。燃料電池系統的燃料—電能轉換效率在45%～60%，而火力發電和核電的效率大約在30%～40%。
其中，作為整個燃料電池反應決速步驟的陰極氧氣還原反應尤為重要，因為其效率高低直接決定整個燃料電池的效率水平。
然而，由於其採用貴金屬鉑或合金納米粒子作為電極催化材料，使燃料電池的發展受到很大限制。據初步估算，燃料電池中鉑材料的成本佔整個燃料電池成本的40%左右。此外，鉑催化劑還具有另一大缺點——抗甲醇毒化性較差，而這直接導致電池的使用效率降低。
因此，開發具有高氧氣還原催化活性、抗甲醇干擾和高穩定性的廉價氧氣還原催化材料一直是業內研究的熱點領域。
銀的價格不到鉑的2%，且對氧氣還原具有一定的催化活性，很有希望成為用來替代鉑的氧氣還原反應電催化劑。不過，從實際效果來看，銀的性能還遠不如鉑催化劑。
考慮到催化劑的電催化活性與催化劑顆粒之間有效的電子傳遞有著密切的關系，中科院過程所的研究人員經過不懈努力，終於研發出一種將銀納米粒子與高導電性載體碳納米管復合的方法，從而有效地提高了銀納米粒子的電催化活性。
與零維的銀納米粒子相比，一維銀納米線（Ag NWs）由於其超高的導電性，也是另一種潛在的高效氧還原催化劑。但目前報道其效果還無法令人滿意。研究人員覺得，導致銀納米線催化活性低的主要原因可能與其低長徑比有關，因而無法形成有效的電子傳遞通道。
銀納米網與石墨烯“完美結合”
如果能夠制備一種由具有高長徑比的銀納米線組成的二維銀納米網絡結構材料（Ag NN）)，由於具有更好的電導和熱導性能，因此與零維、一維材料相比應該會具有更好的催化活性與穩定性能。並且，由於它們不容易發生聚集、溶解以及Ostwald熟化，Ag NN有望成為一種新型的氧氣還原反應高活性電催化劑。
此外，為了提高催化劑的電催化活性，研究人員又通過用更高導電性的石墨烯作為負載材料，得到了進一步提升復合材料的電催化活性的效果。
最近，從中科院過程工程研究所傳來好消息，在國家自然科學基金委的大力支持下，該所的研究人員發展了一種簡單普適的方法，制備了由長徑比高達2000的銀納米線自編織而組成的銀納米網/石墨烯納米復合材料。
研究人員通過採用多酸（POMs）作為唯一的還原劑、包覆劑，在室溫下一步同時還原金屬離子以及氧化石墨（GO），成功大規模地制備了二維Ag NN
@POM-GNSs納米復合材料，多酸在銀納米網與石墨烯之間同時起了鏈接劑的作用。
研究發現，該材料具有很好的電催化氧氣還原反應性能，其電催化的起始電位已經接近了商業鉑/碳材料，並且在很大電壓范圍內，比鉑/碳材料具有更大的極限電流密度及更好的穩定性能，還具有很好的抗甲醇干擾性能。
尤其值得注意的是，該復合材料具有比商業化的鉑/碳材料更好的催化穩定性，有望實現對貴金屬鉑的替代。特別是這種復合材料制備工藝簡單，可方便地實現規模化生產，產業化前景樂觀，值得期待。
皇甫
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