铁代铂——发明更廉价的氢燃料电池催化剂，会使更好的绿色能源选择

诸平

The new fuel cell being tested in the lab. Credit: Imperial College London

据英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London）2022年4月25日提供的消息，发明更便宜的氢燃料电池-使更好的绿色能源选择（Cheaper Hydrogen Fuel Cell Invented – Enabling Better Green Energy Options）。上述图示是伦敦帝国理工学院提供的新燃料电池正在实验室里测试的照片。

伦敦帝国理工学院的研究人员已经开发出一种新的氢燃料电池（hydrogen fuel cell），使用铁代替稀有而昂贵的铂，使这项技术得到更大的应用。

氢燃料电池将氢转化为电力，而副产品只有水蒸气，这使它们成为一种吸引人的绿色便携电力替代品，尤其是汽车。

然而，主要组件之一的费用阻碍了它的广泛采用。这种燃料电池依靠一种由铂制成的催化剂，这种催化剂既昂贵又稀有，但是它可以帮助产生能量的反应。

现在，一个由伦敦帝国理工学院的研究人员领导的欧洲团队只使用铁、碳和氮——这些廉价且容易获得的材料——创造了一种催化剂，并表明它可以用于在高功率下运行燃料电池。他们的研究结果发表于2022年4月25日已经在《自然催化》（Nature Catalysis）杂志网站发表——Asad Mehmood, Mengjun Gong, Frédéric Jaouen, Aaron Roy, Andrea Zitolo, Anastassiya Khan, Moulay-Tahar Sougrati, Mathias Primbs, Alex Martinez Bonastre, Dash Fongalland, Goran Drazic, Peter Strasser, Anthony Kucernak. High loading of single atomic iron sites in Fe–NC oxygen reduction catalysts for proton exchange membrane fuel cells. Nature Catalysis, Published: 25 April 2022, 5: 311–323. DOI: 10.1038/s41929-022-00772-9. https://www.nature.com/articles/s41929-022-00772-9

参与此项研究的除了来自伦敦帝国理工学院的研究人员之外，还有来自法国蒙彼利埃大学（Université de Montpellier, France）、德国柏林工业大学（Technical University of Berlin, Germany）、英国约翰逊马修技术中心（Johnson Matthey Technology Center, Reading, UK）以及斯洛文尼亚国家化学研究所（National Institute of Chemistry, Ljubljana, Slovenia）的研究人员。

伦敦帝国理工学院化学系首席研究员安东尼·库切纳克教授（Professor Anthony Kucernak）说:“目前，用于催化剂的铂约占单个燃料电池成本的60%。例如，为了让燃料电池成为化石燃料驱动汽车的真正可行替代品，我们需要降低成本。我们更便宜的催化剂设计应该会让这成为现实，并允许部署更多使用氢作为燃料的可再生能源系统，最终减少温室气体排放，让世界走上净零排放之路。”

该团队的创新是生产一种催化剂，其中所有的铁都以单个原子的形式分散在一个导电的碳基体中。单原子铁的化学性质与大块铁不同，使其更容易发生反应，大块铁的所有原子都聚集在一起。

这些特性意味着铁可以促进燃料电池所需的反应，成为铂的良好替代品。在实验室测试中，该团队表明，单原子铁催化剂的性能接近于真正的燃料电池系统中的铂基催化剂。

不但生产更便宜的燃料电池的催化剂,而且该方法也可以适应团队开发创建其它过程的其它催化剂,如化学反应使用大气中的氧气作为反应物,而不是昂贵的化学氧化剂,和使用空气去除有害污染物的废水处理。

第一作者、帝国理工化学系的阿萨德·马哈茂德博士（Dr Asad Mehmood）说:“我们已经开发了一种新的方法来制造一系列‘单原子’催化剂，这为一系列新的化学和电化学过程提供了机会。具体来说，我们使用了一种独特的合成方法，称为金属转化（transmetallation），以避免在合成过程中形成铁团簇（iron clusters）。这个过程应该对其他想要制备类似催化剂的科学家有益。”

该团队与英国燃料电池催化剂制造商庄信万丰公司（Johnson Matthey）合作，在适当的系统中测试催化剂，并希望扩大他们的新催化剂的规模，以便它可以用于商业燃料电池。与此同时，他们正在努力提高催化剂的稳定性，使其在耐久性和性能上与铂催化剂相媲美。

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Abstract

Non-precious iron-based catalysts (Fe–NCs) require high active site density to meet the performance targets as cathode catalysts in proton exchange membrane fuel cells. Site density is generally limited to that achieved at a 1–3 wt%(Fe) loading due to the undesired formation of iron-containing nanoparticles at higher loadings. Here we show that by preforming a carbon–nitrogen matrix using a sacrificial metal (Zn) in the initial synthesis step and then exchanging iron into this preformed matrix we achieve 7 wt% iron coordinated solely as single-atom Fe–N₄ sites, as identified by ⁵⁷Fe cryogenic Mössbauer spectroscopy and X-ray absorption spectroscopy. Site density values measured by in situ nitrite stripping and ex situ CO chemisorption methods are 4.7 × 10¹⁹ and 7.8 × 10¹⁹ sites g⁻¹, with a turnover frequency of 5.4 electrons sites⁻¹ s⁻¹ at 0.80 V in a 0.5 M H₂SO₄ electrolyte. The catalyst delivers an excellent proton exchange membrane fuel cell performance with current densities of 41.3 mA cm⁻² at 0.90 V_iR-free using H₂–O₂ and 145 mA cm⁻² at 0.80 V (199 mA cm⁻² at 0.80 V_iR-free) using H₂–air.