鉅大LARGE | 點擊量：642次 | 2021年09月29日
新催化劑“喚醒”燃料動力電池生命力
開發(fā)具有高氧氣還原催化活性、抗甲醇干擾和高穩(wěn)定性的廉價氧氣還原催化材料一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點領(lǐng)域。
■張光晉
隨著全球能源危機的到來，以及環(huán)境污染問題的日益嚴重，可持續(xù)能源的開發(fā)利用越來越多地被人們關(guān)注并寄予厚望，其中就包括可持續(xù)能源的儲存與轉(zhuǎn)化。
氧氣還原催化材料引關(guān)注
燃料動力鋰電池因其優(yōu)越的性能和環(huán)境無污染性，一直是可持續(xù)能源研究領(lǐng)域的熱點之一。燃料動力鋰電池的能量轉(zhuǎn)化效率高，它可以直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。燃料動力鋰電池系統(tǒng)的燃料—電能轉(zhuǎn)換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
其中，作為整個燃料動力鋰電池反應(yīng)決速步驟的陰極氧氣還原反應(yīng)尤為重要，因為其效率高低直接決定整個燃料動力鋰電池的效率水平。
然而，由于其采用貴金屬鉑或合金納米粒子作為電極催化材料，使燃料動力鋰電池的發(fā)展受到很大限制。據(jù)初步估算，燃料動力鋰電池中鉑材料的成本占整個燃料動力鋰電池成本的40%左右。此外，鉑催化劑還具有另一大缺點——抗甲醇毒化性較差，而這直接導(dǎo)致電池的使用效率大大降低。
因此，開發(fā)具有高氧氣還原催化活性、抗甲醇干擾和高穩(wěn)定性的廉價氧氣還原催化材料一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點領(lǐng)域。
銀的價格不到鉑的2%，且對氧氣還原具有一定的催化活性，很有希望成為用來替代鉑的氧氣還原反應(yīng)電催化劑。不過，從實際效果來看，銀的性能還遠不如鉑催化劑。
考慮到催化劑的電催化活性與催化劑顆粒之間有效的電子傳遞有著密切的關(guān)系，中科院過程所的研究人員經(jīng)過不懈努力，終于研發(fā)出一種將銀納米粒子與高導(dǎo)電性載體碳納米管復(fù)合的方法，從而有效地提高了銀納米粒子的電催化活性。
與零維的銀納米粒子相比，一維銀納米線（AgNWs）由于其超高的導(dǎo)電性，也是另一種潛在的高效氧還原催化劑。但目前報道其效果還無法令人滿意。研究人員覺得，導(dǎo)致銀納米線催化活性低的重要原因可能與其低長徑比有關(guān)，因而無法形成有效的電子傳遞通道。
銀納米網(wǎng)與石墨烯“完美結(jié)合”
假如能夠制備一種由具有高長徑比的銀納米線組成的二維銀納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料（AgNN）)，由于具有更好的電導(dǎo)和熱導(dǎo)性能，因此與零維、一維材料相比應(yīng)該會具有更好的催化活性與穩(wěn)定性能。并且，由于它們不容易發(fā)生聚集、溶解以及Ostwald熟化，AgNN有望成為一種新型的氧氣還原反應(yīng)高活性電催化劑。
此外，為了提高催化劑的電催化活性，研究人員又通過用更高導(dǎo)電性的石墨烯作為負載材料，得到了進一步提升復(fù)合材料的電催化活性的效果。
最近，從中科院過程工程研究所傳來好消息，在國家自然科學(xué)基金委的大力支持下，該所的研究人員發(fā)展了一種簡單普適的方法，制備了由長徑比高達2000的銀納米線自編織而組成的銀納米網(wǎng)/石墨烯納米復(fù)合材料。
研究人員通過采用多酸（POMs）作為唯一的還原劑、包覆劑，在室溫下一步同時還原金屬離子以及氧化石墨（GO），成功大規(guī)模地制備了二維AgNN@POM-GNSs納米復(fù)合材料，多酸在銀納米網(wǎng)與石墨烯之間同時起了鏈接劑的用途。
研究發(fā)現(xiàn)，該材料具有很好的電催化氧氣還原反應(yīng)性能，其電催化的起始電位已經(jīng)接近了商業(yè)鉑/碳材料，并且在很大電壓范圍內(nèi)，比鉑/碳材料具有更大的極限電流密度及更好的穩(wěn)定性能，還具有很好的抗甲醇干擾性能。
尤其值得注意的是，該復(fù)合材料具有比商業(yè)化的鉑/碳材料更好的催化穩(wěn)定性，有望實現(xiàn)對貴金屬鉑的替代。特別是這種復(fù)合材料制備工藝簡單，可方便地實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)化前景樂觀，值得期待。
（作者系中科院過程工程研究所研究員）
