为高温燃料电池开发的高性能单原子催化剂

KIST研究人员开发的单原子催化剂的概念图。

单个Pt原子参与催化反应以促进电极过程多达10倍。单原子铂催化剂在700摄氏度下稳定，并有望刺激下一代可逆燃料电池的商业化。

与需要充电的二次电池不同，燃料电池是一种生态友好型的发电系统，可通过使用氢作为燃料和氧作为氧化剂的电化学反应直接发电。燃料电池的类型多种多样，其工作温度和电解质材料不同。其中，使用陶瓷电解质的固体氧化物燃料电池（SOFC）受到越来越多的关注。由于它在700摄氏度左右的高温下运行，因此在各种燃料电池中提供最高的效率，并且还可以用于通过蒸汽分解产生氢气。为了将该技术商业化，必须进一步提高电池性能，并且高度期待新型高温催化剂材料。

铂（Pt）基催化剂在燃料电池电极反应中表现出如此优异的性能。特别地，单原子的Pt催化剂由于其独特的功能性而被积极研究。然而，在高温下，Pt原子不稳定并且容易团聚。因此，Pt单原子催化剂仅用于低温燃料电池，例如用于氢电动车辆的聚合物电解质膜燃料电池。

（左）固体氧化物燃料电池的电极（中心）在电极内部的表面上形成一个单原子催化剂。（右）分散在催化表面上的铂原子（亮点：铂原子）

在这种情况下，一个国内研究团队开发了一种催化剂，该催化剂仅需少量的铂即可显着提高性能，并且可以在高温下稳定运行。韩国科学技术研究院（KIST）宣布，能源材料研究中心的Kyung-Joong Yoon博士和研究员Ji-Su Su，以及汉阳大学的李运荣教授（汉阳大学，吴承President校长） Kim）开发了可用于SOFC的单原子Pt催化剂。

KIST能源材料研究中心的Kyung-Joong Yoon博士。

在他们的研究中，即使在高温下，整个铂原子也均匀地分布并且仅在不发生团聚的情况下起作用。实验表明，它将电极反应速率提高了10倍以上。即使在高达700摄氏度的高温下，它也可以运行500多个小时，并将发电和制氢性能提高3-4倍。预计将加速下一代生态友好型燃料电池固体氧化物燃料电池（SOFC）的商业化。

由KIST-Hanyang University研究团队联合开发的单原子催化剂是通过结合铂原子和氧化铈（Ce）纳米粒子制成的。每个铂原子均独立地分散在二氧化铈纳米粒子的表面上，并且即使在高温下，强键也可以长时间保持原子的分散状态，这使所有铂原子都参与了反应。进而，这使得可以显着提高电极反应的速率，同时使铂的使用量最小化。

为了制造，将包含铂和铈离子的溶液注入到SOFC的电极中，并在燃料电池在高温下运行的同时合成催化剂。由于无需任何特殊设备就可以容易地进行电极的注入，因此期望新开发的催化剂可以容易地应用于现有的燃料电池制造工艺。

KIST的Kyung-Joong Yoon博士说：“这项研究开发的催化剂可以通过简单，低成本的方法应用于各种固体氧化物燃料电池和高温电化学装置，因此有望加快下一代环保型发电和储能设备的开发。”“基于单原子催化剂即使在700摄氏度或更高的温度下也能稳定运行的事实，其应用领域将大大扩展，包括高温热化学反应和高温电化学反应。”

参考：Shin Ji，Young Young Joo Lee，Asif Jan，Sung Min Choi，Mi Young Park，Sungjun Choi，Jun Yeon Hwang，Seungki Hong，Seung Gyu Park撰写的“用于高温电化学装置的高活性和热稳定性单原子催化剂”，张慧Jung，闵庆祖，Jitendra Pal Singh，Ken​​hwa Chae，Sungeun Yang，Ho-Il Ji，Hyoungchul Kim，Ji-Won Son，Lee Jong-Ho，Kimung-Kook Kim，Lee-Weon Lee，Jongsup Hong，李允贞（Yung Jung Lee）和景钟Yo（Kyung Joong Yoon），2021年8月14日，能源与环境科学。DOI：
10.1039 / D0EE01680B

这项研究是在科学技术和信息通信技术部（MSIT）的资助下进行的，这是KIST的机构研发计划和韩国研究基金会的“应对气候变化技术发展计划”的一部分。本文发表在最新版的《能源与环境科学》（IF：30.289，在JCR领域中排名前0.189％）。