科学家为更持久的燃料电池开发新材料

新的研究表明，以特定方式制造的石墨烯可用于制造更耐用的汽车氢燃料电池。

在今天发表在《纳米尺度》杂志上的这项研究中，科学家们通过一种特殊的、可扩展的技术生产了石墨烯，并用它来开发氢燃料电池催化剂。由伦敦玛丽女王大学和伦敦大学学院 (UCL) 的科学家组成的研究小组表明，这种新型石墨烯基催化剂比市售催化剂更耐用，并且与它们的性能相匹配。

氢燃料电池通过在催化剂的帮助下将氢和氧结合起来，将化学能转化为电能。由于反应的唯一副产物是水，它们提供了一种高效且环保的能源。

铂是这些燃料电池使用最广泛的催化剂，但其高昂的成本是氢燃料电池商业化的一大问题。为了解决这个问题，商业催化剂通常是通过将微小的铂纳米颗粒装饰到更便宜的碳载体上来制造的，但是这种材料的耐久性差大大降低了当前燃料电池的寿命。

先前的研究表明，石墨烯具有耐腐蚀性、高表面积和高导电性，可以成为燃料电池的理想支撑材料。然而，迄今为止大多数实验中使用的石墨烯包含许多缺陷，这意味着尚未实现预测的改进电阻。

研究中描述的技术在一锅合成中生产出用铂纳米粒子装饰的高质量石墨烯。这一过程可以扩大规模以进行大规模生产，从而为石墨烯基催化剂的广泛能源应用开辟了道路。

UCL 电化学工程教授 Dan Brett 教授说：“在不破坏环境的情况下满足全球能源需求是现代面临的巨大挑战之一。氢燃料电池可以提供更清洁的能源，并且已经在一些汽车中用作汽油或柴油。然而，它们广泛商业化的一大障碍是催化剂能够承受其在能源应用中使用所需的广泛循环。我们已经证明，通过使用石墨烯而不是典型的无定形碳作为支撑材料，我们可以创造超- 耐用的催化剂。”

研究人员使用一种基于美国能源部 (DoE) 推荐的测试，即加速压力测试，证实了石墨烯基催化剂的耐久性。加速压力测试故意在短时间内在多个循环中快速对催化剂施加压力，使科学家能够评估新材料的稳定性，而无需在几个月或几年的时间内将它们用于运行的燃料电池。

通过这些测试，科学家们表明，与商业催化剂相比，新开发的石墨烯基催化剂在同一测试期间的活性损失降低了约 30%。

来自伦敦大学学院的博士生和该研究的主要作者 Gyen Ming Angel 说：“美国能源部为燃料电池的耐久性设定了测试和目标，其中一项加速压力测试模拟正常运行条件，另一项模拟启动时经历的高压。启动和关闭燃料电池。石墨烯领域的大多数研究仅使用推荐的测试之一进行评估。但是，由于我们的材料中含有高质量的石墨烯，因此我们成功地在两种测试和长时间下都实现了高耐久性“这对于这些材料未来的商业化非常重要。我们期待将我们的新催化剂纳入商业技术，并实现更长寿命燃料电池的优势。”

石墨烯由以六方晶格排列的单层碳原子制成。尽管其结构相对简单，但石墨烯被认为具有显着的特性，包括高导电性、高透明度和高柔韧性。

伦敦玛丽女王大学可再生能源讲师 Patrick Cullen 博士说：“多年来，围绕石墨烯进行了大量炒作，并且这种材料有大量有前景的应用。然而，研究界仍在等待因为它的全部潜力得以实现，这导致了对这个提议的“神奇材料”的一些负面评价。许多关于石墨烯的研究使用有缺陷的石墨烯版本这一事实并没有帮助这种观点。我们希望这篇论文能够恢复人们对石墨烯的信心，并表明这种材料在现在和未来在改进燃料电池等技术方面具有巨大潜力。”