氢燃料电池催化剂替代品诞生 成本可降低80%

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白金一克要价人民币193元左右,除了会出现在百货公司珠宝橱窗中,人们也可以在氢燃料电池催化剂原料清单中发现它们的身影,而这便是氢燃料电池价格高涨而不跌的原因。

不过最近普林斯顿大学(Princeton University)成功找到潜力替代品,成本只要白金催化剂的五分之一,未来或许有机会能降低电池成本。

氢燃料电池利用氢与氧的化学变化来产生电力,氢气会从燃料电池阳极进入,透过阳极催化剂分解成氢离子与电子,之后电子会经由外电路形成电流抵达阴极,氢气失去电子后,则会通过电解质到隔壁的阴极;阴极则是氧气进入的地方,氢离子、电子跟氧气会在阴极催化剂的帮助下产生反应与水。

不会排放任何废气,只会产生水与热,上述特性让氢燃料电池被视为化石燃料的替代能源之一,更是备受看好的电动车电力来源,可惜的是,做为催化剂的白金十分昂贵,地壳含量也不多,各界还无法大量採用氢燃料电池,虽然科学家也想过用其他金属、合金或是化合物来製作催化剂,但效能都比不上白金。

科学家在过去的实验中不断碰壁,合金催化剂的性能虽然一开始能超越白金,但过不久就会开始氧化且淋溶;若用较便宜的金属来当作催化剂,催化剂剂量得加大,反而让过多催化剂附著在电极上,进而降低能源效率。

对此,普林斯顿大学生物与化学工程教授 Bruce E. Koel 表示,白金催化剂近乎完美,电化学反应快又可以承受严苛的酸性条件,但其实替代品不需要像白金一样尽善尽美。

团队研究发现,过去从来没有注意过的低导电性材料,经过特殊处理后也能大变身,就好比氮电浆处理过的氧化铪(hafnium oxide),不仅能转变成薄膜材料,还能成为高活性、承受强酸的催化剂,或许是个不错的白金催化剂替代品。

研究测试指出,新型铪薄膜催化剂的效率虽然只有白金的 60%,但胜在成本低,为白金的五分之一,且除了能应用在氢燃料电池,还可以跨入电化学水分解製氢领域,合作企业 HiT Nano 科学家 Xiaofang Yang 指出,电解水製氢也是再生能源经济重要的一环,该研究重要性不言可喻。

团队未来也会考虑测试更便宜的锆,只不过这项研究是否能进一步降低氢燃料成本,现在可能还不好说,如今科学家还无法将新催化剂与研究带出实验室,也要考虑到大规模製造的成本。只能说科学家透过这项研究开闢另一种可能,Koel 指出,团队现在还不清楚研究的箇中道理,还要再持续研究材料的特殊性能。

目前研究已发表在《Nature Communications》。