美国UCR研发新型PEM燃料电池催化剂材料 可将氢化学能转化为电能

摘要

UCR研究人员利用静电纺丝技术，制造出含有金属离子（钴、铁或镍）的碳纳米纤维纸薄片。在加热时，离子形成超细金属纳米颗粒，其催化碳转化为高性能石墨碳。

美国加州大学河滨分校(UCR)研发团队研发出一种经济、高效的聚合物电解质膜(Polymer Electrolyte Membrane，PEM)燃料电池催化剂材料，该燃料电池将氢化学能转化为电能，是汽车和电子产品中最有前途的燃料电池类型之一。

最常见燃料电池的关键部件是由贵金属铂制成的催化剂,因此其昂贵的生产成本限制了燃料电池的大规模使用。UCR开发的催化剂由嵌入化合物的多孔碳纳米纤维制成，所述化合物包含相对丰富的金属，比如钴，其成本比铂少100倍以上。

目前，燃料电池已被一些汽车制造商采用，并提供了优于传统燃料技术的优势，包括效率高、噪音低和排放量低等，氢燃料电池排放物是水。在氢燃料电池中，当氢燃料被注入电池阳极时，催化剂将氢分子分离成被称为质子的正电荷粒子和带负电粒子。电子在重新加入带正电的氢离子和氧形成水之前被引导通过外部电路，并在此进行有用的工作，例如给电动机供电。

此外，UCR研究人员利用静电纺丝(electrospinning)技术，制造出含有金属离子(钴、铁或镍)的碳纳米纤维纸薄片。在加热时，离子形成超细金属纳米颗粒，其催化碳转化为高性能石墨碳。随后，金属纳米颗粒和残余的非石墨碳被氧化，导致高度多孔且有用的金属氧化物纳米颗粒网络分散在石墨的多孔网络中。

这项研究由美国加州大学河滨分校伯恩斯工程学院教授DavidKisailus领导。同时，Kisailus和其团队正在与斯坦福大学的科学家合作，以确认新材料的性能与行业标准铂-碳体系一样好，且其成本相对较低。

Kisailus表示，该纳米复合催化材料的另一优势在于其石墨纤维材质，提供了额外的强度和耐久性，使其既能用作燃料电池催化剂，又能够用作结构部件。制造高性能车辆的一项重要挑战是在不影响安全或性能的情况下，减轻车身重量及电池或燃料电池的额外重量。我们制造的材料将化学和纤维加工条件相结合，可能使汽车制造商能够将发动机罩或底盘等结构部件转化为有助于为车辆提供动力的功能元件。