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德国研发纳米级铂颗粒催化剂 比目前燃料电池催化剂性能高一倍

德国研发纳米级铂颗粒催化剂 比目前燃料电池催化剂性能高一倍

7月22日,记者了解到,据外媒报道,德国慕尼黑工业大学(TUM,Technical University of Munich)的一个跨学科研究小组制造出了用于燃料电池催化过程的铂纳米颗粒,该新型催化剂的尺寸得到了优化,与目前已实现工业化的最佳工艺制成的铂颗粒相比,其性能增加了一倍。 燃料电池能够替代电池,成为电动汽车的动力来源。燃料电池消耗可再生的氢气(如利用风力发电厂的剩余电力就可生产氢气),但是,用在燃料电池中的铂非常稀少且特别昂贵,限制了燃料电池的大规模应用。 而德国慕尼黑工业大学的一个研究小组现在优化了铂颗粒的尺寸,与目前商业化工艺生产的颗粒相比,其性能要高出一倍。该研究小组由无机和有机金属化学教授Roland Fischer、物理能量装换与存储系Aliaksandr Bandarenka以及纳米系统能量转换模拟教授Alessio Gagliardi牵头。 一个铂“蛋”(颗粒)只有一纳米大小 在燃料电池中,氢与氧反应产生水,在此过程中产生电力。为了优化此类转换,电极上需要使用催化剂,而铂在氧还原反应中就发挥核心作用。 为找到理想的解决方案,该研究小组创造了整个系统的计算机模型。核心问题是:铂原子簇的尺寸可以达到多小,同时又能够让其具备高度活性的催化功能?Fischer教授表示:“事实证明,铂颗粒具备一定的最佳尺寸。” 大约1纳米、包含大约40个铂原子的铂颗粒是最理想的。Bandarenka表示:“这种大小的铂催化剂虽然体积小,但是具有大量的高活性点。” 催化剂研究中心(CRC)的跨学科合作是该研究小组得到研究成果的重要因素,结合建模理论、合作讨论以及从实验中获得的物理化学知识,最终让研究人员们制造出一个模型,展示了如何根据理想形状、尺寸以及燃料电池中成分分布大小情况设计催化剂。此外,CRC还具备创建和实验测试此种铂纳米催化剂的专业知识。 效果是最好的催化剂的两倍 实验证实了研究人员的理论预测。Garlyyev表示:“我们制出的催化剂效果是目前市场上最好的催化剂的两倍”但是,由于目前铂的含量只减少了50%,仍不足以实现商业化应用,必须减少80%。 除了此种球状铂纳米颗粒,研究人员还希望研究形状更复杂、但是催化活性更高的铂纳米颗粒。而计算机模型是建模的理想选择,但是andarenka表示:“更复杂的形状需要更复杂的合成方法。” 来源: 盖世汽车

2019-07-23
我科学家成功制备廉价高效电解水氧析出催化剂

我科学家成功制备廉价高效电解水氧析出催化剂

  记者15日从中国科学技术大学获悉,该校吴宇恩教授课题组运用创新工艺,在氧析出催化剂方面取得重大突破,为电解水制氢的工业化推进重要一步,该成果日前被选为本月《自然-催化》封面文章。   “终极能源”氢能市场化的关键一环是氢气高效廉价的制取。其中,电解水是最被看好的制备方式之一。然而,电解水过程中必需的高效廉价的氧析出催化剂是当前面临的最困难挑战之一,与“非铂氧还原催化剂的开发”并称为氢能高效利用领域的两大圣杯。   氧析出常用的商用催化剂是二氧化铱。铱金属价格昂贵,成为高能、清洁、廉价的氢能源推广的重大阻碍。相比之下,钌金属地球储量更丰富,价格更廉价,如用于工业,能够有效降低氢气制备成本。但由于在强酸、强氧化性环境中,二氧化钌在高电位下极易被氧化为四氧化钌,从而失去催化活性。因此,开发出一种高活性和高稳定的钌单原子催化剂,成为最有潜力的途径。   钌基催化剂在酸性氧析出中的稳定性是一个公认的世界难题。为实现高效廉价的电解水制氢,科研团队经过多年的实验探索,创新性地提出利用抗氧化能力和抗溶解能力强的铂基合金为载体,利用表面缺陷工程技术捕获和稳定单原子的方法成功制备了钌单原子合金催化剂,该钌单原子合金催化剂相对于商业钌基催化剂的过电位降低了大约30%,稳定性提高了近10倍。   该成果不仅成功实现了将单原子钌嵌入稳定合金载体中从而制备出高效催化剂,而且利用金属/合金载体调控单原子电子结构的策略,有望可以应用于其它反应体系中,为许多类似的科学问题提供思路,标志着向氢能广泛应用的绿色未来迈进了一大步。 来源:科技日报

2019-04-16
高效单原子Fe基催化剂用于锌-空气电池研究获进展

高效单原子Fe基催化剂用于锌-空气电池研究获进展

  能源是人类文明进步和发展的物质基础。近年来,随着化石能源的逐渐消耗和日益突出的环境污染问题,人类对绿色、清洁、可再生能源的需求急剧增长。水分解、燃料电池、金属-空气电池等高效、低成本能量存储与转换技术的开发已成为研究的前沿领域。其中,锌-空气电池使用水系电解液具有低成本、安全、环境友好的优势,理论能量高达1084 Wh/kg,有望成为新一代储能设备。根据使用需求,锌-空气电池可以做成一次电池、可充放电电池以及柔性电池。锌-空气电池的放电过程涉及氧还原反应(ORR),而充电过程涉及析氧反应(OER)。目前Pt基催化剂是优良的ORR催化剂,Ir和Ru基催化剂在OER反应中具有优异的催化性能,但是铂族元素在地壳中储量稀少、价格昂贵,稳定性差,且功能单一。因此,开发低成本、高效、稳定的非贵金属催化剂对于锌-空气电池的商业化推广具有重要意义。   单原子催化剂具有高的本征活性、最大化的原子利用效率以及特定的催化剂结构。近年来,基于单原子催化剂的制备、表征和催化性能研究成为能源、材料和催化领域的研究热点。非贵金属的Fe基、Co基、Ni基、Mn基单原子催化剂显示出优异的电催化性能,有望成为铂族贵金属催化剂的替代材料。特别是Fe基单原子催化剂在碱性条件下的ORR反应中具有优于Pt基催化剂的性能,表现出更高的半波电位、更大的极限电流密度和扩散电流密度。   近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所孙春文课题组副研究员韩军兴等人基于金属-有机框架材料(MOF)包覆和高温裂解技术成功制备了单原子Fe基催化剂。该工作以二价的FeSO4作为Fe前躯体;1,10-邻菲罗啉作为有机配体(Phen),通过与Fe2+离子配位形成有机复合物(Fe-Phen)。在MOF晶体生长过程中,有机复合物分子(Fe-Phen)被原位包覆在具有分子尺寸的纳米腔体中,彼此被MOF骨架隔离开。在Ar气氛下经过900℃高温焙烧后得到单原子分散的Fe基催化剂。电化学测试结果表明单原子Fe基催化剂在ORR反应中的半波电位高达0.91 V,比传统的Pt/C催化剂高90 mV,并且优于目前文献中报道的绝大多数催化剂;电化学活性表面积约是商业Pt/C催化剂的两倍。将单原子Fe基催化剂用作一次锌-空气电池的正极催化剂,电池开路电压高达1.51 V,优于Pt/C催化剂(1.45 V);功率密度达到96.4 mW cm-2;以10 mA cm-2的电流密度进行放电,一次锌-空气电池可以在1.28 V的放电电压下稳定运行2000 min以上。   除了表现出优异的ORR催化性能外,单原子Fe基催化剂还具有较好的双功能(ORR/OER)催化特性,Ej10与E1/2的电位差为0.92 V,小于贵金属复合催化剂(Pt/C+RuO2)的(0.94 V)。将单原子Fe基催化剂用作可充放电锌-空气电池的正极,锌-空气电池在10 mA cm-2的电流密度下可以稳定运行超过250 h。将单原子Fe催化剂用作柔性可折叠锌-空气电池的正极,电池在1 mA cm-2的电流密度下可以稳定运行超过120 h。   相关研究成果以Single-Atom Fe-Nx-C as an Efficient Electrocatalyst for Zinc-Air Batteries 为题发表在最新一期的《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。该项工作得到科技部国家重点研发计划(2016YFA0202702)和国家自然科学基金(51672029, 51372271)的经费支持。     文章链接     图1. a) 一次锌-空气电池结构示意图;b) 不同催化剂制备的电池的开路电压随时间的变化曲线;c) 电池功率密度特性;d) 电池放电曲线;e) 在10 mA cm-2的电流密度下电池恒流放电曲线;f) 展示锌-空气电池可以为电子手表供电。     图2. a) 柔性可折叠锌-空气电池示意图;b) 在1 mA cm-2的电流密度下电池充放电曲线;c) 柔性锌-空气电池的折叠性能测试;d) 串联的两组柔性锌-空气电池为发光二极管阵列供电。 来源:中国科学院

2019-02-20
浙工大开发超稳低汞催化剂

浙工大开发超稳低汞催化剂

  2月15日,记者从浙江工业大学了解到,由该校工业催化研究所自主研发的单原子超稳低汞催化剂已在河南神马氯碱万吨级装置上实现产业化应用。   该装置工业运行情况稳定,在吨耗、转化率、选择性及使用寿命上均具有明显优势,产品各项指标完全符合低汞触媒国家标准《GB/T31530-2015 氯乙烯合成用低汞触媒》的要求,为氯碱行业节能减排提供了有力的技术支撑。   催化剂在工业使用过程中理论上并不会消耗,涉汞催化剂的汞污染问题本质上是由于催化剂的热稳定性不好造成的。浙江工业大学工业催化研究所开发的新一代超稳低汞催化剂,采用特殊工艺生产的活性炭为载体,利用炭载体表面缺陷为锚合点和氯化汞分子形成强的化学键。氯化汞在活性炭表面以单原子形式存在,不但解决了汞催化剂热稳定性问题,还使催化剂利用效率达100%,催化剂运行寿命长达12000小时,远高于目前市场上低汞催化剂产品8000小时的平均使用寿命。   涉及氯化汞催化剂的汞污染问题一直是氯乙烯行业的世界性难题,无汞催化剂由于成本高、使用寿命短等原因,短期内实现工业化应用仍有困难。此前已经生效的《关于汞的水俣公约》提出,2020年电石法聚氯乙烯单位产品的汞使用量要比2010年下降50%,涉汞催化剂减量化、最小化由此成为电石法氯乙烯面临的首要任务。根据国标要求,低汞催化剂的氯化汞负载量最高不得超过6.5%,而高汞催化剂的氯化汞负载量为10%~12%,如何在氯化汞负载量降低一半的情况下仍保持催化剂的高性能,成为催化剂制备技术面临的巨大挑战。   我国PVC生产工艺大多基于煤化工的乙炔法,而氯化汞催化剂是目前乙炔法制备聚乙烯单体工业上应用的主要催化剂。由于氯化汞属于金属氯化物里唯一的共价化合物,分子间作用力为范德华力,其热稳定极差,开发热稳定性好的涉汞催化剂一直是催化领域极具挑战性的课题。   新一代超稳低汞催化剂投入使用,不仅能够降低氯乙烯单体生产过程中的单耗,降低PVC生产成本,还能有效减少汞触媒使用过程中造成的重金属污染,在无汞催化剂尚未实现真正产业化应用和推广的形势下,该催化剂可成为我国电石法氯碱行业节能减排的一个技术方案,为我国限汞履约提供技术保障。 来源:中国化工报

2019-02-19
新能源汽车新型催化剂研制成功

新能源汽车新型催化剂研制成功

延长电池寿命让汽车在寒冬正常启动   中国科学技术大学教授路军岭、韦世强、杨金龙等课题组密切合作,研制出一种新型催化剂,攻克了新能源汽车——氢燃料电池汽车推广应用的关键难题:解除氢燃料电池一氧化碳“中毒休克”危机,延长电池寿命,拓宽电池使用温度环境,在寒冬也能正常启动。该研究成果日前在线发表在国际权威学术期刊《自然》上。   氢气被认为是未来最有前途的清洁能源之一。氢燃料电池利用氢和氧化学反应释放的化学能转化为电能,无须燃烧,具有高能量转换效率和零排放,是未来新能源清洁动力汽车的主要发展方向之一。但氢燃料电池的发展面临许多挑战,其中一个关键难题是燃料电池铂电极的一氧化碳“中毒”问题。当下,氢主要来源于甲醇和天然气等碳氢化合物的蒸汽重整和水煤气变换反应,由此产生的氢通常含有0.5%至2%的一氧化碳。作为氢燃料电池汽车的“心脏”,燃料电池铂电极容易被一氧化碳杂质气体“毒害”,导致电池性能下降和寿命缩短,严重阻碍氢燃料电池汽车的推广。   学术界比较看好的车载氢气净化法,是将特定催化剂放置在燃料电池的入口处,在氢气进入燃料电池之前,使氢气中的一氧化碳杂质气体优先和氧气发生反应,从而避免一氧化碳杂质气体进入电池毒化电极。然而,现有的催化剂只能在高于室温和极窄的温度范围内工作,使得氢燃料电池汽车无法在频繁冷启动期间得到有效保护,很难步入实用。   路军岭团队设计了一种原子级分散于铂表面的氢氧化铁新型催化剂,该催化剂能够在198~380开尔文(约合-75℃至107℃)的温度范围内100%选择性地高效去除氢燃料中的微量一氧化碳。因此,该新型催化材料可以为氢燃料电池在频繁冷启动(即使在约零下75℃的极寒条件下)和连续运行期间提供全时保护,避免氢燃料电池受一氧化碳中毒。   “这些发现可能会大大加速氢燃料电池汽车时代的到来。”路军岭说,我们的最终目标是开发一种廉价的且具有高活性、高选择性的一氧化碳优先氧化催化剂,既可以提供机载燃料电池的全时保护,也可以为工厂高纯氢气制备提供有效手段。   一位审稿人评论说:“与文献报道的其他催化剂体系相比,这种倒置型单原子催化剂在富氢氛围一氧化碳优先氧化反应中的活性、选择性和稳定性均表现最佳。” 来源:光明日报

2019-02-01
N₂O炉内减排催化剂实现国产

N₂O炉内减排催化剂实现国产

可在850℃以上高温环境长期运行   1月21日,四川蜀泰化工科技有限公司自主研发的N2O减排催化剂生产研究与应用项目,通过了由中国氮肥工业协会组织的专家评审。该项目开发的N₂O减排催化剂成本较低,实现了硝酸生产中炉内N₂O减排催化剂国产化。随着国家碳减排政策的实施,预期该催化剂市场前景良好。   该催化剂采用新型共沉淀法及高温(1000℃~1300℃)煅烧制备,使活性组分更均匀地分散于锆、铈固熔体之间,催化剂热稳定性好,体积收缩率低,不易粉化,可在高温(850℃以上)下长期运行,催化活性衰减慢。   项目实施过程中,蜀泰化工研制出新催化剂压制模具,催化剂直径为11mm的七孔圆柱体,具有较好的机械强度和较大的接触面积,利于气体扩散与吸(脱)附,传质传热效果好;催化剂成型过程中通过添加助剂,提高催化剂比表面积,增加反应活性中心,提高了催化剂的催化效率。   专家组针对该催化剂提出三点建议:减小催化剂直径,进一步优化催化剂工艺,提高减排效率;优化工艺路线,进一步降低生产成本;加强产品推广应用。   据了解,目前国产N₂O减排催化剂的分解技术为低温炉外分解(400℃~500℃),需要额外增加设备和能耗,对正常生产活动影响较大。蜀泰化工研制的成本适中、各项性能指标达到国外同类产品的硝酸生产炉内N₂O减排催化剂,实现工业化生产,填补了国产N₂O催化剂炉内分解应用技术的空白,现有生产设备应用该催化剂无需改动,减排更直接,不影响生产的正常进行。   到目前为止,硝酸生产中N₂O炉内直接分解环保催化剂在世界范围内只有庄信万丰实现了工业化,其售价极高。蜀泰化工研制的N₂O炉内减排催化剂目前已经在四川金象化工股份有限公司硝酸装置上使用,使用效果良好。 来源:中国化工报

2019-01-29

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