低成本高效催化剂将推动燃料电池产业快速发展

固定在多孔碳上的单原子催化剂示意图。 图片来源：华盛顿州立大学

近日，来自华盛顿州立大学的研究人员成功开发出了一种新的生产工艺，用以制造燃料电池用低成本单原子催化剂，这一生产工艺的进步将使得像燃料电池一样的新型清洁能源技术在经济上更具可行性。

他们的研究成果已经发表在Advanced Energy Materials期刊上。

氢燃料电池对清洁能源经济至关重要，因为这种燃料电池的发电效率是内燃机的两倍多，并且它排放的废物是无污染的水。

然而，目前用于燃料电池中化学反应的催化剂大多是铂金属，这种贵重金属的高价格严重阻碍了燃料电池的商业化应用。

研究人员希望能够使用常见的金属而不是罕见的铂金进行催化反应。 但是，普通的金属所引导的催化反应往往会在短时间内停止工作。

“寻找具有高活性和稳定性的低成本催化剂，对于燃料电池的商业化至关重要。”华盛顿州立大学机械与材料工程学院（MME）博士后研究员，同时也是本文的共同第一作者石秋容（音）说道。

最近，研究人员开发出了一种单原子催化剂，它能在实验室环境中得到与使用贵金属一样的催化效果。 研究人员能够通过使用这种纳米级单原子催化剂来提高非贵金属的稳定性和催化活性。

在这项新研究工作中，华盛顿州立大学机械与材料工程学院教授林悦禾（音）领导的研究小组，通过在一个简单的高温过程中使用铁或钴盐和小分子氨基葡萄糖作为前体来制造单原子催化剂。该方法可以显著降低催化剂的成本，并且可以容易地扩大生产规模来满足生产需要。

他们开发的铁 - 碳催化剂比商业铂催化剂更稳定。 同时在催化使用以后，它们还能保持良好的活性，并且没有被污染，通常情况下普通催化金属无法做到这一点。

负责撰写论文高温工艺过程的共同作者朱承洲（音）说：“这种简单的生产过程具有很多优点，一方面使得大规模生产变得可行，另一方面它使我们能够增加催化剂上活性位点的数量并提高其活性。”

本项研究是由林悦禾（音）的研究团队与华盛顿州立大学机械与材料工程学院副教授Scott Beckman合作完成，同时阿贡国家实验室的先进光子源中心和布鲁克海文国家实验室的材料表征研究人员为这个研究项目提供了协助。

“国家实验室的先进材料表征设施为我们揭示了催化剂的单原子位点和活性部分，从而使得催化剂的设计变得更好，” 林悦禾（音）如此说道。