研究人员合成高度石墨化的碳载体以提高氢燃料电池的寿命

由DGIST能源科学与工程系Jong-SungYu教授领导的研究团队开发了一种低温方法来合成高度石墨化的碳载体，这将大大提高氢燃料电池的寿命。他们预计这项研究的结果将增加商业化用于汽车燃料电池、水电解电池和无人机的可能性。这项工作发表在AppliedCatalysisB:Environmental杂志上。

随着对生态友好型能源的需求不断增长，氢燃料电池的重要性与日俱增。因此，提高氢燃料电池性能和寿命的研究正在进行中，特别关注提高铂(Pt)作为燃料电池催化剂的活性和利用率的方法。

铂基燃料电池催化剂非常有效，但价格昂贵且长期耐用性差。为了解决这个问题，美国能源部正在积极寻求解决这些问题的方法，以实现燃料电池的广泛使用。

长期耐用性的主要问题是铂基催化剂及其碳载体的不稳定性。启停操作期间产生的高电压会破坏碳支撑，导致支撑的铂脱离并降低导电性。迫切需要解决燃料电池性能下降的问题，但由于提高碳材料的耐久性具有挑战性，因此大多数研究都集中在铂基催化剂上。

增加石墨性可增强碳材料的耐久性。然而，石墨化度只能通过高温热处理(2,000℃或更高)来提高，因此很难诱发可以提高燃料电池性能的特性。因此，需要一种新的合成策略，以低能耗的方式生产碳材料的有用特性。

于教授的研究团队开发了一种新的合成方法，即使在650℃的相对低温下也能引入高石墨性。这是一个用镁(Mg)粉加热含氮有机前体的简单过程。利用镁的还原能力，以前所未有的方式降低了处理温度。此外，镁充当其自身的模板，为高度石墨化的碳材料提供多孔结构和高比表面积。证实通过低温工艺将足够的氮掺杂到碳材料中。

该团队开发的镁基低温处理产生了出色的碳载体，满足了电化学催化剂的三个基本条件：稳定性和导电性的石墨性、优异的孔隙率和表面积以及杂原子掺杂。

研究团队预计，高石墨性将提高碳载体的耐久性，而杂原子掺杂将通过与铂纳米粒子稳定结合，有效防止铂的溶解。为了验证这一点，他们使用美国能源部提出的方案评估了铂催化剂和碳载体的耐久性。

催化剂和载体均表现出超过美国能源部目标的稳定性。碳载体的耐久性目标是每质量铂的活性损失40%，但铂-高度石墨化氮掺杂碳(Pt-HGNC)催化剂仅损失24%，稳定性是铂的3.5倍–碳(Pt-C)催化剂。

DGIST能源科学与工程系于教授表示，他们“提出了一种低温合成策略，以克服现有碳材料生产方法的局限性，并通过这种方法合成了一种新的碳载体。新开发的燃料电池催化剂能够它的应用首次满足了美国能源部对铂催化剂和碳载体的耐久性标准”，他们“有望为汽车和发电燃料电池的商业化和耐久性的提高做出贡献燃料电池催化剂。”

更多信息：Ha-YoungLee等人，用于Pt燃料电池载体的新型高度石墨化

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