清道夫纳米粒子可以使燃料电池驱动的汽车成为现实

伊利诺伊大学芝加哥分校的工程师是一个协作团队之一，该团队开发了一种材料，该材料可以使燃料电池系统相对于目前为大多数电动汽车提供动力的电池系统具有竞争优势。

与锂电池相比，燃料电池技术依靠催化剂驱动的化学反应来产生能量。锂电池一次充电通常可以达到 100-300 英里的续航里程，但它们也容易受到阴极材料和制造成本高昂的影响，并且需要几个小时才能充电。或者，燃料电池系统利用氧气和氢气等丰富的元素，一次充电可以行驶超过 400 英里——这可以在五分钟内完成。不幸的是，用于为其反应提供动力的催化剂由过于昂贵(即铂)或降解过快而无法实用的材料制成。

到现在为止，就是这样。随着新添加剂材料的开发，科学家们可以使廉价的铁-氮-碳燃料电池催化剂更耐用。当添加到化学反应中时，添加剂材料可以保护燃料电池系统免受其两种最具腐蚀性的副产品的影响：不稳定的粒子，如原子、分子或称为自由基的离子和过氧化氢。

他们的实验结果发表在科学杂志《自然能源》上。

UIC 工程学院机械与工业工程教授 Reza Shahbazian-Yassar 及其同事使用先进的成像技术来研究与该材料的反应，该材料是一种由钽-钛氧化物纳米颗粒组成的添加剂，可清除和灭活自由基。原子结构的高分辨率成像使科学家能够定义添加剂工作所需的结构参数。

“在我们的实验室中，我们能够使用电子显微镜在各种使用条件下捕获材料的高度详细的原子分辨率图像，”该研究的共同通讯作者 Shahbazian-Yassar 说。“通过我们的结构研究，我们了解了添加剂的原子结构中发生了什么，并能够确定清除剂纳米颗粒的大小和尺寸、钽和二氧化钛的比例。这有助于了解添加剂的正确状态。添加剂所需的固溶体合金，以保护燃料电池免受腐蚀和降解。”

实验表明，需要钽和氧化钛的固溶体，并且纳米颗粒应该在 5 纳米左右。实验还表明，钽与氧化钛的比例为 6-4。

“该比例是纳米颗粒材料清除自由基特性的关键，而固态溶液有助于维持环境结构，”Shahbazian-Yassar 说。

实验表明，当将清除剂纳米颗粒材料添加到燃料电池系统的反应中时，过氧化氢的产率被抑制在 2% 以下——降低了 51%——并且燃料电池的电流密度衰减从 33% 降低到只有 3%。

“燃料电池是电池的一种有吸引力的替代品，因为它们具有更高的续航里程、快速充电能力、更轻的重量和更小的体积，前提是我们可以找到更经济的方法来分离和储存氢气，”Shahbazian-Yassar 说。“在本文中，我们报告了一种方法，使我们更接近于使燃料电池驱动的汽车和其他燃料电池技术成为现实。”

美国能源部、国家科学基金会和马里兰纳米中心支持了这项研究。