研究推动汽车工业更接近由直接乙醇燃料电池驱动的清洁汽车

俄勒冈州立大学的替代能源研究正在为大规模采用直接乙醇燃料电池驱动的清洁汽车开辟道路。

俄勒冈州立大学工程学院的冯振兴帮助领导了一种催化剂的开发，该催化剂解决了长期以来与 DEFC 相关的三个关键问题，众所周知，这种电池是：低效率、催化材料的成本和细胞内化学反应的毒性。

冯和俄勒冈州立大学、中佛罗里达大学和匹兹堡大学的合作者发现，将氟原子放入钯-氮-碳催化剂中具有许多积极作用——包括使功率密集型电池保持稳定近 6,000 小时。催化剂是一种提高反应速率的物质，它本身不会发生任何永久性化学变化。

研究结果今天发表在《自然能源》杂志上。

由汽油或柴油发动机驱动的汽车和卡车依赖于化石燃料的燃烧，这会导致温室气体二氧化碳的排放。机动车是大气CO2的主要来源之一，CO 2是气候变化的主要因素。

“内燃机会产生大量的二氧化碳，”化学工程副教授冯说。“为了实现碳中和和零碳排放的目标，迫切需要使用可再生和可持续来源燃料的替代能源转换设备。直接乙醇燃料电池有可能取代以汽油和柴油为基础的能源转换系统作为电源。”

Feng 和合作者正在筹集资金以开发用于便携式设备和车辆的 DEFC 单元原型。

“如果这成功了，我们可以在五年内交付一种商业化设备，”他说。“有了更多的行业合作者，DEFC 车辆有望在 10 年内实现。”

乙醇，又称乙醇，由碳、氢和氧组成——其化学式为C2H6O——是酒精饮料中的活性成分。它通过酵母对糖的发酵自然产生，可以从许多来源获得，包括玉米、小麦、高粱、大麦、甘蔗和甜高粱。

美国生产的大部分乙醇产自中西部，最常见的是玉米。

冯解释说，燃料电池依靠氢或其他燃料的化学能来清洁高效地发电。它们可以使用范围广泛的燃料和原料，并且可以服务于大到公用发电厂和小到笔记本电脑的系统。

“在 DEFC 技术中，乙醇可以从多种来源产生，特别是甘蔗、小麦和玉米等生物质，”冯说。“使用生物资源生产乙醇的好处是植物吸收大气中的二氧化碳。”

乙醇是一种液体，因此易于储存和运输，每公斤可以提供比甲醇或纯氢等其他燃料更多的能量。此外，冯指出，生产和分销乙醇的基础设施已经到位，这使得 DEFC 成为替代内燃机的有吸引力的选择。

“第一辆由乙醇燃料电池驱动的汽车是在 2007 年开发的，”冯说。“然而，由于 DEFC 效率低、与催化剂相关的成本以及燃料电池内部反应产生的一氧化碳导致催化剂中毒的风险，DEFC 车辆的进一步发展明显滞后。”

为了解决这些问题，包括俄勒冈州立大学的王茂宇和来自中国南方科技大学和阿贡国家实验室的科学家在内的研究团队开发了高性能钯合金催化剂，与目前的钯基催化剂相比，该催化剂使用的贵金属更少.

钯、铂和钌是因其催化性能而受到重视但价格昂贵且难以获得的元素。

“我们的团队表明，将氟原子引入钯-氮-碳催化剂可以改变钯周围的环境，从而提高电池中两个重要反应的活性和耐久性：乙醇氧化反应和氧还原反应，”冯说.“在 Argonne 进行的先进同步加速器 X 射线光谱表征表明，氟原子的引入会产生更富氮的钯表面，这有利于催化。通过抑制钯迁移和减少碳腐蚀来增强耐久性。”

支持这项研究的是美国国家科学基金会和美国能源部。