研究人员利用铂与稀土元素开发合金催化剂 可以降低燃料电池的成本

盖世汽车讯 据外媒报道，《纳米研究》(Nano Research)杂志上发表上一篇论文显示，研究人员设计了一种方法，将高成本的铂和低成本的稀土元素镧结合为合金，用作下一代燃料电池的催化剂。这将有助于提高电池性能并降低成本，使重型运输车辆(不太适合使用电池)更容易脱碳。 　　燃料电池可以将氢的化学能转化为电能，为车辆和其他机器提供动力，所产生的副产物只有水和热量。要提高相关电化学反应的效率，从而降低燃料电池的成本，使其比使用化石燃料更具竞争力，关键在于找到更好的催化剂，即加速这些反应的材料。

在所有可能促成关键化学反应(氧还原反应或ORR)的“电催化剂”中，铂是迄今为止最好的。然而，铂是一种成本较高的稀有金属，使其在燃料电池(尤其是质子交换膜燃料电池)中的应用受到影响。更为严重的是，在具有高度腐蚀性的PEMFC环境中，这种电催化剂经过较少的循环次数就会迅速降解。

这篇论文的作者之一、中国科学院长春应用化学研究所的电化学家朱思远表示：“研究人员致力于寻找一种低成本、更耐降解的电催化剂，以在更长的时间内保持稳定，提供卓越的电流密度。”

为了降低电催化剂成本，研究人员主要考虑将铂与其他成本更低的金属合金化，以减少铂的使用量，同时协助甚至提高铂的催化性能。到目前为止，与铂合金化的主要选项是后过渡金属(late transition metal)，即在元素周期表中位于过渡金属(其左)和准金属(其右侧)之间的金属。然而，在恶劣、腐蚀性的PEMFC环境中，已证明后过渡金属也会溶解。这不仅导致电池性能持续下降，而且溶解的金属会进一步与氧还原反应的副产物发生反应，对整个系统造成不可控的损害。

使用前期过渡金属(early transition metal，元素周期表中第3副族至第7副族中的所有过渡金属元素，包括镧系和锕系元素)，如钇和钪，则要稳定得多。理论计算表明，到目前为止，铂和这两种前期过渡金属形成的合金是最稳定的。

在前期过渡金属中，稀土元素一直未得到足够重视。实际上，稀土元素在地壳中很常见，对提升催化剂的电化学活性非常有利。因此，融易新媒体，使用稀土元素与铂构成合金，问题不在于成本，而是其在酸性介质中的导电性和溶解度较差。

研究人员为此设计了一种方法，利用铂和稀土元素镧来制备合金。这项技术只需两步即可完成。首先，研究人员获得现成的镧盐和苯三甲酸(trimesic acid)，使这两种前体材料自我组装成纳米“棒”。然后，在900°C下用铂来浸渍这些纳米棒。高温可以确保这两种金属顺利完成合金化过程。

研究人员在燃料电池中进行压力测试，以验证所生成的铂-镧纳米颗粒的性能。结果显示，这种合金电催化剂超出预期值，即使经过3万次燃料电池循环后，仍具有优异的稳定性和活性。

研究人员希望，以后尝试使用其他稀土元素与铂构成合金，并测试其是否能超过镧的电催化性能。