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燃料电池阴极催化剂发展方向:Pt金属为主,寻求廉价方向

供稿人:卞志昕  供稿时间:2006-3-17   关键字:阴极  催化剂  燃料电池  Pt  铂  
迄今为止,PEMFC的阴极和阳极有效催化剂仍以铂为主。由于铂的价格昂贵,资源匮乏,造成PEMFC成本很高,大大限制了其广泛的应用。这样,降低贵金属催化剂用量,寻求廉价催化剂,提高电极催化剂性能成为电极催化剂研究的主要目标。对于阴极催化剂,研究重点一方面是改进电极结构,提高催化剂的利用率,另一方面是寻求高效廉价的可替代贵金属的催化剂。
 
新型的阴极合金催化剂的研制以及催化机理的探索取得了很大的进展,尤其是Pt系双合金和三合金催化剂,无论是在活性方面还是在寿命方面都有了很大的提高。在寻求铂以外的价格低廉的催化剂上,较为引人注目的是热解或非热解的过渡金属大环化合物,金属氧化物(如锰氧化物,尖晶石型氧化物,焦绿石型氧化物,钙钛石型氧化物)等。
 
2005年7月公开的日本CATALER CORPORATION的美国专利US20050164074即为燃料电池阴极催化剂的制备应用方法。这种描述的催化剂主要成份为Pt和Fe,主要维持电池的耐用性,并保持电池的高输出量。此外,阴极催化剂支持层除了Pt和Fe外,还可包括第三组份,可从W,Ti,Mo,Zn等元素中选择,这些元素对Pt和Fe具有较强的亲和力,以防止电解液洗脱时,将Fe洗去。
 
同样2005年3月公开的3M Innovative Properties Company一份有关燃料电池阴极催化剂的美国专利US20050069755。该专利在结构和成份上都有所改进。其采用纳米结构元素,包括微结构负载纳米显微催化剂粒子。这种催化剂粒子可用于第一或第二层选择使用,第一层包括Pt,第二层为合金或铁或第二金属的均相混合物。制作这种纳米催化剂粒子可选用真空沉积Pt和真空沉积合金或均相金属的方法进行。
 
Samsung SDI Co., Ltd.2004年9月也设计了一种阴极燃料电池催化剂,这种催化剂粒子具有高氧还原反应性和低甲醇氧化反应率,其使用的催化剂粒子包括Fe,Co,Ni,Rh,Pd,Pt,Cu等两种或两种以上合金组合物,这种合金比Pt具有更强的结合氧能力,以及更弱的结合氢能力(CN1523695)。
 
由于贵金属Pt的价格昂贵,因此,许多研究者都在想方设法选用其它材料进行替代。过渡金属大环化合物在燃料电池与空气电池中的应用,为寻找性能更好的氧电极找到一个更广阔的天地。N4鳌合物有半导体性质,大环分子间通过苯环连接,增加了中心原子的电子密度,提高了电子导电性。以活性碳为载体的过渡金属N4鳌合物中显示较高活性的有:酞菁(Pc),四羧基酞菁(PcTc),卟啉(PP),四苯基卟啉(TPP),四甲氧基苯卟啉(TMPP),二苯并四氮杂轮烯(TAA),以及聚丙烯腈(PAN)等与Co和Fe的过渡金属阳离子形成的配合物。过渡金属大环化合物如COTMPP、COTAA、COTPP、COPC等有着稳定的催化性能,能较大提高空气电池的使用寿命,并且耐腐蚀。其最主要的一个特点是对氧气的还原有很高的选择性,特别是在DMFC中,避免了甲醇在阴极发生氧化反应。此外,聚合物作为催化剂载体、复合金属氧化物等都成为最近研究的新内容。
 
参考文献
质子交换膜燃料电池催化剂的研究进展 重庆大学学报 2005 28(4) 119-125
 
US20050164074
 
US20050069755
 
CN1523695

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