- 研究人員開發碳支撐藍色顏料催化劑，創下902毫瓦每平方釐米的功率密度紀錄。
- 該催化劑有助減少陰離子交換膜燃料電池對鉑的依賴。
- 團隊通過改變顏料的分子結構實現了高性能。
- AZ-FO-30顯示出良好的耐久性，運行35小時後衰減率低。
一組國際研究人員最近開發了一種碳支撐的藍色顏料催化劑，幫助無鉑燃料電池達到 902 毫瓦每平方釐米 (902 mW/cm²) 的創紀錄功率密度。該催化劑由東北大學先進材料研究所的教授 Hiroshi Yabu 博士及以色列理工學院的教授 Dario R. Dekel 博士共同開發。北海道大學的教授 Yasutaka Matsuo 博士及 AZUL Energy 也參與了該項目。
催化劑減少鉑依賴的潛力
據報導，這一突破性的催化劑有可能顯著減少陰離子交換膜燃料電池 (AEMFCs) 對高價鉑的依賴。「這項研究顯示，仔細的分子設計可以縮小鉑催化劑與無鉑催化劑之間的性能差距。」Yabu 解釋道。透過改變顏料的分子結構，團隊實現了 902 毫瓦每平方釐米的峯值功率密度，這是基於金屬酞菁的 AEMFC 陽極報告中的最高性能。 燃料電池通過電化學反應產生電力，而非燃燒，它們依賴催化劑來加速這些反應。
陽極通常使用碳支撐的鉑納米粒子來加速氧還原反應。雖然鉑的效率極高，但價格昂貴，約為每克 USD 54 (約 HK$420)，而且供應有限，這使得其他替代品在降低燃料電池系統成本方面變得更具吸引力。AEMFCs 可能為解決這一問題提供一種途徑。考慮到它們在相對溫和的鹼性條件下運行，使用不含鉑的催化劑的可能性更大。該項目中，團隊轉向金屬酞菁，一種在多個行業中廣泛使用的合成藍色顏料。
這些顏料以金屬複合物為基礎，價格低廉，並且其分子結構可進行修改。
研究人員合成了兩種鐵四氮酞菁，其中含氮的雜環取代了傳統鐵酞菁中的周邊苯環。第一種催化劑，FeAzPc-4N，支撐於導電的 Ketjen Black 碳上，被命名為 AZ-FT-30。另一種氮含量更高的版本，FeAzPc-8N8Me，則被指定為 AZ-FO-30。電子顯微鏡和元素分析顯示，這些含鐵分子在碳上分散至原子和分子層級，而非形成較大顆粒。隨後的測試顯示，這些催化劑之間存在顯著的性能差異。
在 176 華氏度 (80 攝氏度) 下，AZ-FT-30 實現了 744 毫瓦每平方釐米的峯值功率密度，而 AZ-FO-30 則達到了 902 毫瓦每平方釐米。根據研究人員的說法，這代表了使用金屬酞菁的 AEMFC 陽極報告中的最高功率密度。更強的催化劑還顯示出良好的耐久性，AZ-FO-30 在 400 毫安每平方釐米的恆定負載下運行了 35 小時，記錄的平均衰減率為每小時 2.4 毫伏。
催化劑性能差異的原因
這些催化劑的電化學表面積幾乎相同，分別為 155.8 和 157.5 平方米每克。這使得團隊能夠將性能差異與分子的內在特性聯繫起來，而非可用表面的數量。
計算模型進一步提供了線索。密度泛函理論計算顯示，AZ-FO-30 的鐵-氧距離最短，這表明其鐵活性位點之間的相互作用更強。即使團隊在模型中添加了明確的水分子，這一趨勢依然存在。「通過調整這些藍色顏料分子的結構，我們能夠增強活性位點之間的相互作用，並將其轉化為燃料電池性能的實際提升。」Yabu 在新聞稿中總結道。該研究結果已發表在《ACS Catalysis》期刊上。
項目 規格 峯值功率密度 902 mW/cm² 工作溫度 80°C 耐久性測試時間 35 小時
藍色顏料催化劑的潛在影響
該研究展示了碳支撐的藍色顏料催化劑在無鉑燃料電池中的應用潛力，能夠顯著提高功率密度及降低對貴金屬的依賴。隨著燃料電池技術的進步，這類催化劑的開發不僅能降低成本，還能促進可再生能源的普及。未來，這些催化劑可能成為推動燃料電池商業化的重要因素，特別是在環保和經濟效益日益受到重視的背景下。