悉尼新南威尔士大学研究如何提高 非铂金 氢燃料电池的效率和成本，以增加获得清洁燃料的机会

氢气已被定位为实现脱碳未来的竞争中的关键参与者，但尽管氢气具有潜力，但商业化的道路一直很缓慢。

Using three novel methods, the research team were able to quickly figure out how stable a platinum-free fuel cell is. Photo: Front, from left to right: Shiyang Liu, Prof. Zhao, and Quentin Meyer. Back, from left to right: Dr Chen Jia, Shuhao Wang and Yan Nie. Supplied.

包括新南威尔士大学化学学院的Professor Chuan Zhao, Dr Quentin Meyer and Mr Shiyang Liu在内的科学家正在努力解决几个因素，以提高氢燃料电池的商业可行性。

构成氢燃料电池的一些关键元素的成本和资源存在问题，包括铂，铂是激活该过程所需的催化剂。创造铂催化剂的替代品至关重要。

赵教授说：“白金总是很贵，因为外面没有太多。”“因此，我们需要探索替代方案，同时提供一种快速简便的方法来衡量这些新材料在氢燃料电池中的工作情况。”

在《能源与环境科学》上发表的一项新研究中，赵教授的团队开发了一种新颖的工艺来测试铂替代品的耐用性和稳定性，这将为氢燃料电池的成本友好型选项提供新的见解。

氢燃料电池的案例

氢燃料电池在19世纪作为绿色能源开发，它利用化学反应将氢分解成质子和电子，产生电力和水。

“从本质上讲，你有两面——阳极和阴极。你把氢放在一边（阳极），把氧气放在另一边（阴极），以及使这两种反应发生的催化剂，”Meyer博士说。“一个反应是将氢分裂成质子和电子，然后另一侧氧化氧。质子和电子在阴极与氧气反应，产生水和电。”

氢燃料电池使用化学反应将氢分解成质子和电子，以产生电力和水。图片：带有阳极和阴极的氢燃料电池原理图。供应。

氢燃料电池技术和电池之间的关键区别在于，您不需要为氢燃料电池充电。你不是汽油泵，而是氢气泵，为氢燃料电池汽车加油只需要三分钟。

该过程不仅被认为是一种清洁能源，只生产水作为副产品，而且也是可持续的。氢气本身是一种非常丰富的元素，虽然它不是天然存在的，但它可以从水中提取。

成本问题

赵教授说：“我们面临着一个'鸡或蛋'类型的问题，即我们没有足够的氢气被加工，或者没有足够的地方来使用氢气，”赵教授说。“因此，随着我们开始生产更多的氢气和燃料电池，两者都将变得更便宜。”

另一个关键问题是催化剂的成本。形成燃料电池基本中间层的铂金每公斤的价格在45,000澳元至100,000澳元之间。

刘先生说：“一种方法是使用铂替代品，如铁，每公斤只需花费约0.1澳元，”刘先生说，“一种特别有前途的材料是铁-氮-碳，也称为Fe-N-C”

然而，这些新的铂替代品目前尚未广泛使用，因为它们不如铂那么稳定，在氢燃料电池中分解速度更快。Meyer博士说：“在最好的情况下，铂基燃料电池可以持续4万小时（约4年半），但铁氮碳材料只能运行300小时（约2周）。

该领域的进展缓慢，因为寻找替代品并测试其耐用性是一个漫长而昂贵的过程。Meyer博士说：“例如，创造一种新的氢燃料电池催化剂可能需要长达一年的时间，甚至更长的时间才能准确了解使用难以获得的昂贵设备发生了什么。”

开发分析稳定性的方法

对于赵教授、迈耶博士和他们的团队来说，解决该领域现有问题的答案是开发一种方法，让您了解为什么一些催化剂材料不如铂那么稳定。

“使用我们在实验室测试的三种新方法，我们可以快速弄清楚我们的无铂燃料电池有多稳定，最重要的是了解原因。这种方法可以很容易地被其他实验室的科学家采用，以快速准确地了解其燃料电池和催化剂的效率，”赵教授说。

使用这些技术，该团队发现，由于铁活性部位的损失，高达75%的铁基活性部位（发生反应的特定位置）在运行燃料电池的前10小时内变得不活跃。随后，碳腐蚀成为主要的降解机制。

“这一点尤其重要，因为我们可以准确地确定正在发生的事情以及何时发生。如果我们开发出一种具有更稳定活性位点的材料，我们应该在前10小时内看到较慢的衰变，而碳腐蚀可能也有类似的趋势，”Meyer博士说。

“通过允许精确跟踪降解机制，我们预计研究领域将能够制造针对这些稳定性问题的新材料。因此，我们相信我们的方法将有助于提高无铂催化剂的稳定性，并给这个领域一个更光明的未来。”

“从本质上讲，你有两面——阳极和阴极。你把氢放在一边（阳极），把氧气放在另一边（阴极），以及使这两种反应发生的催化剂，”Meyer博士说。“一个反应是将氢分裂成质子和电子，然后另一侧氧化氧。质子和电子在阴极与氧气反应，产生水和电。”

氢燃料电池使用化学反应将氢分解成质子和电子，以产生电力和水。图片：带有阳极和阴极的氢燃料电池原理图。供应。

氢燃料电池技术和电池之间的关键区别在于，您不需要为氢燃料电池充电。你不是汽油泵，而是氢气泵，为氢燃料电池汽车加油只需要三分钟。

该过程不仅被认为是一种清洁能源，只生产水作为副产品，而且也是可持续的。氢气本身是一种非常丰富的元素，虽然它不是天然存在的，但它可以从水中提取。

成本问题

赵教授说：“我们面临着一个'鸡或蛋'类型的问题，即我们没有足够的氢气被加工，或者没有足够的地方来使用氢气，”赵教授说。“因此，随着我们开始生产更多的氢气和燃料电池，两者都将变得更便宜。”

另一个关键问题是催化剂的成本。形成燃料电池基本中间层的铂金每公斤的价格在45,000澳元至100,000澳元之间。

刘先生说：“一种方法是使用铂替代品，如铁，每公斤只需花费约0.1澳元，”刘先生说，“一种特别有前途的材料是铁-氮-碳，也称为Fe-N-C”

然而，这些新的铂替代品目前尚未广泛使用，因为它们不如铂那么稳定，在氢燃料电池中分解速度更快。Meyer博士说：“在最好的情况下，铂基燃料电池可以持续4万小时（约4年半），但铁氮碳材料只能运行300小时（约2周）。

该领域的进展缓慢，因为寻找替代品并测试其耐用性是一个漫长而昂贵的过程。Meyer博士说：“例如，创造一种新的氢燃料电池催化剂可能需要长达一年的时间，甚至更长的时间才能准确了解使用难以获得的昂贵设备发生了什么。”

开发分析稳定性的方法

对于赵教授、迈耶博士和他们的团队来说，解决该领域现有问题的答案是开发一种方法，让您了解为什么一些催化剂材料不如铂那么稳定。

“使用我们在实验室测试的三种新方法，我们可以快速弄清楚我们的无铂燃料电池有多稳定，最重要的是了解原因。这种方法可以很容易地被其他实验室的科学家采用，以快速准确地了解其燃料电池和催化剂的效率，”赵教授说。

使用这些技术，该团队发现，由于铁活性部位的损失，高达75%的铁基活性部位（发生反应的特定位置）在运行燃料电池的前10小时内变得不活跃。随后，碳腐蚀成为主要的降解机制。

“这一点尤其重要，因为我们可以准确地确定正在发生的事情以及何时发生。如果我们开发出一种具有更稳定活性位点的材料，我们应该在前10小时内看到较慢的衰变，而碳腐蚀可能也有类似的趋势，”Meyer博士说。

“通过允许精确跟踪降解机制，我们预计研究领域将能够制造针对这些稳定性问题的新材料。因此，我们相信我们的方法将有助于提高无铂催化剂的稳定性，并给这个领域一个更光明的未来。”

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