- 新型催化劑專為低温氫燃料電池設計，解決了妥協問題。
- 該催化劑在150,000次循環後仍保持85%性能，顯示其穩定性。
- 研究團隊利用碳納米結構合成鉑鈷金屬間化合物，以提高催化性能。
- 新方法能耐受高達1000°C的温度，並保持顆粒大小在5納米以下。
最近公佈的一種新型催化劑架構專為低温氫燃料電池而設計。此項發展有望解決清潔能源技術中長期存在的妥協問題：在不損害其功率輸出的情況下，使昂貴的鉑催化劑保持穩定。由聖路易斯華盛頓大學的吳剛教授領導的研究團隊在測試中發現，該催化劑在貴金屬含量極少的情況下仍能維持高效能。有趣的是，該技術在經歷了 150,000 次電壓循環（相當於約 25,000 小時的運行）後，仍能保持 85%的性能。
吳教授表示：「我們的策略是利用這種新型碳納米結構合成鉑鈷金屬間化合物納米顆粒，以減少貴金屬含量，並提高活性和穩定性。」氫燃料電池通過結合氫和氧產生清潔電力，只留下熱量和純水。為了有效驅動該反應，燃料電池依賴於鉑這種稀有且昂貴的金屬。鉑是一種極佳的能量轉換催化劑。工程師們將大塊的鉑縮小為微小的納米顆粒，以最大化其表面積。這種方法在使用少量鉑的情況下能夠實現強大的催化性能，但僅能持續一段時間。
在運行壓力下，這些微小的納米顆粒會溶解、漂移並聚集，逐漸在燃料電池運行過程中降解。
新型催化劑的設計與性能
此外，將鉑鈷合金加熱至 700°C 以上會產生高度有序的金屬間化合物結構，顯著提高耐久性。但是，在這些極高的温度下，納米顆粒往往會聚集。較小的顆粒意味著更高的活性，而較大的顆粒則意味著更長的壽命。直到目前，科學家們必須在這兩者之間作出選擇。在這項新研究中，團隊決定通過重新設計基礎碳支撐來克服這一問題，設計出具有有序徑向納米通道的多孔空心碳球。這些微小的碳籠將鉑鈷納米顆粒鎖定在適當的位置。
這種專門的高表面積架構牢固地固定住稠密且均勻分散的鉑鈷納米顆粒，使其能夠承受形成完全有序金屬間化合物所需的高温，而不會聚集或失去良好的分散性。標準方法的加熱温度上限通常低於 700°C，並在高温下易出現顆粒聚集的現象。新的方法能夠耐受高達 1000°C 的温度，同時保持顆粒大小精確在 5 納米以下。此外，這種在高熱下的結構穩定性直接轉化為卓越的運行壽命。有趣的是，這些納米結構即使經過 150,000 次循環仍能保持 85%的輸出。
開放的通道還有助於離子導體均勻擴散，使質子、氧氣和水在運行過程中能夠輕鬆通過電極。
未來的能源需求與燃料電池
吳教授表示：「因此，內嵌於這種支撐體中的鉑鈷納米顆粒展現出同類最佳的性能和持久的耐用性。」美國數據中心的快速擴張正在驅動電力需求的急劇上升，預計到 2030 年，電力消耗將從 2023 年總發電量的 4%增加至 9%以上。為瞭解決這些日益增長的能源和冷卻需求，與工業合作夥伴推廣堅韌的燃料電池提供了一個可行的解決方案。這將使設施運營商能夠更少依賴當地公用事業，直接從氫氣中現場發電。
該團隊旨在與行業合作夥伴合作，解決剩餘的催化劑挑戰，加速高效、可持續燃料電池技術的發展。這項研究於 8 月 6 日發表在《自然納米技術》期刊上。
新催化劑對氫燃料電池的影響
這項研究展示了新型催化劑在低温氫燃料電池中的潛力，特別是在提高穩定性和性能方面。隨著全球對清潔能源的需求上升，這種催化劑的發展不僅能減少貴金屬的使用，還能延長燃料電池的壽命，為未來的能源解決方案提供可行的選擇。隨著電力需求的增加，這項技術可能成為減少對傳統能源依賴的重要一步。