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新材料+燃料电池,清洁能源革命的黄金搭档!

已有 324 次阅读 2020-5-19 09:44 |个人分类:新能源|系统分类:科研笔记| 燃料电池, 氢能源, 石墨烯, 乙醇

新材料开发助力清洁能源革命,今天分享两个燃料电池的例子。


巴西科学家最先研究:新材料如何提高直接乙醇燃料电池的效率

 

来自巴西的一个研究小组和德国亥姆霍兹柏林能源与材料研究中心(HZB)小组共同研究了一种用于乙醇燃料电池的新型复合膜。它由聚合物Nafion(全氟磺酸)组成,其中钛化合物的纳米颗粒通过很少探索的熔融挤出工艺嵌入聚合物中。在BESSY II上,他们能够详细观察到Nafion基质中的纳米颗粒如何分布及如何增加质子的传导性。

 

乙醇的体积能量密度(6.7 kWh/L)是氢气(1.3 kWh/L)的五倍,可以安全地用于燃料电池发电。特别是在巴西,更有价值的乙醇燃料电池引起了极大的兴趣,因为巴西是全球知名的再生乙醇生产基地,其主要是采用低成本的甘蔗原料,目前该国也在分销相关产品。从理论上讲,乙醇燃料电池的效率应为96%,但在实际操作中,由于各种原因,在最高功率密度下,乙醇表现的效率仅为30%,还有很大的改进空间。

 

Nafion与纳米粒子

 

因此,由巴西IPEN研究所Bruno Matos博士领导的研究小组正在研究直接用于乙醇燃料电池的新型复合膜。一种有前景的解决方案是定制新的聚合物基复合电解质材料,以替代最新的聚合物电解质,如Nafion。Matos和他的团队使用熔融挤出工艺,以Nafion为基础,再加入钛酸盐纳米粒子,制备出复合膜,该复合膜已被磺酸基团官能化。

 

BESSY II的红外实验

 

Matos的团队现在已经在BESSY II的红外光束IRIS处彻底分析了Nafion复合膜的四种不同成分。小角X射线散射测量结果证实钛颗粒与Nafion的离聚物基质协同作用。

 

质子传导率增加

 

利用红外光谱,他们观察到功能化纳米粒子的磺酸基团之间形成了化学桥。此外,通过跟踪质子沿着离子团簇的运动,他们发现即使在高浓度的纳米颗粒下,复合膜中的质子电导率也会增加。”这真是一个出乎意料的惊喜,”IRIS Beamline的HZB科学家Ljiljana Puskar博士说。随着纳米颗粒的增加,电导率降低是阻碍高性能复合材料发展的主要障碍之一。较高的质子导电率可以使载流子迁移率提高,从而直接提高乙醇燃料电池的效率。

 

熔体挤出的优势

 

Matos指出:“这种复合膜可以通过熔融挤出生产,将使其能够满足工业化规模生产。”

 

新材料的开发将有助于清洁能源革命

 

廉价高效的燃料电池和水电解槽将成为氢燃料经济的基石,氢燃料是化石燃料最有希望的清洁和可持续替代品之一。这些设备依靠电催化剂材料来工作,因此开发高效且低成本的催化剂对于使氢燃料成为可行的替代品至关重要。阿尔托大学的研究人员开发了一种新型催化剂材料来改善这些技术。

 

 

氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)是最重要的电化学反应,它限制了氢燃料电池(用于车辆和发电),水电解槽(用于清洁氢气的产生)和高容量的效率金属空气电池。阿尔托(Aalto)的物理学家和化学家与法国CNRS和奥地利维也纳的研究人员合作开发了一种新型催化剂,该催化剂比目前可用的其他双功能催化剂更有效地驱动这些反应。研究人员还发现,新催化剂的电催化活性可以根据所沉积催化剂的材料选择而显着改变。

 

“我们希望使用由过渡金属,碳和氮等廉价和富含地球的元素组成的高活性和稳定的替代品来取代基于昂贵稀缺的贵金属(如铂和铱)的传统催化剂。” 阿尔托的研究员Mohammad Tavakkoli博士说,他领导了这项工作并撰写了相关论文。

 

该团队与CNRS合作,生产了一种高度多孔的石墨烯-碳纳米管杂化物,并在其中掺入了其他已知可以制成良好催化剂的元素单原子。石墨烯和碳纳米管(CNT)分别是碳的二维和一维同素异形体,与传统材料相比,石墨烯和碳纳米管因其出色的性能而引起了学术界和工业界的极大兴趣。他们开发了一种简单且可扩展的方法来同时生长这类纳米材料,并将其特性组合在一个产品中。CNRS研究总监Emmanuel Flahut博士说:“我们是可扩展合成双壁碳纳米管的全球领先团队之一,此处的创新在于修改制造工艺以制备这些独特的样品。”

 

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催化剂结构示意图

 

在这个一步过程中,他们还可以用氮和/或金属(钴和钼)单原子掺杂石墨烯,作为生产单原子催化剂(SACs)的一种有前景的策略。在催化科学中,金属原子分散在固体载体上的SACs以其最大的原子利用率和独特的性质引起了人们的广泛关注。与制造SACs的竞争策略相比,Aalto&CNRS团队使用的方法提供了一种简单的方法,一步到位,降低了成本。

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催化剂中葡萄烯和碳纳米管的板和长管在电子显微镜下的外观

 

催化剂通常沉积在下面的基底上。研究人员通常忽略了该基底在催化剂最终反应性中的作用,但是对于这种新型催化剂,研究人员发现该基底在其效率中起着重要的作用。研究小组发现,这种材料的多孔结构可以进入其与基材界面处形成的更多活性催化剂位点,因此,他们开发了一种新的显微镜分析方法,以测量如何改变该界面以产生最有效的催化剂。他们希望通过对基底效应对多孔材料催化活性的研究,为电化学能量器件高性能电极的合理设计奠定基础,为今后的研究提供指导。




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