'金发姑娘'正在考虑削减电动汽车燃料电池的成本

由于燃料电池采用氢气而不是汽油,2019年的丰田Mirai电动汽车宣称零排放。但是Mirai几乎没有离开加利福尼亚,部分原因是今天的燃料电池电极是由超级昂贵的铂金制成的。

减少铂金也可以降低成本,让更多的电动汽车进入市场。

一种新的方法借鉴了“金发姑娘”的一些想法 - 恰当的数量 - 用于评估燃料电池电极需要多少金属。该技术利用金属表面上的力来确定理想的电极厚度。

普渡大学化学工程教授杰弗里格里利说:“恰好有适量的金属能够为燃料电池电极提供最佳性能。”“如果它们太厚或太薄,部署燃料电池的主要反应也不会起作用,所以这里有一种Goldilocks原则。”

这项研究将于2月22日出版的“科学”杂志上发表,该研究由约翰霍普金斯大学,普渡大学和加州大学欧文分校共同完成。

研究人员用钯测试了他们的理论,钯是一种非常类似于铂的金属。

格里利说:“我们基本上使用力来调整构成电催化剂的薄金属板的性质,而电催化剂是燃料电池电极的一部分。”“最终目标是在各种金属上测试这种方法。”

燃料电池通过所谓的电催化剂启动的氧还原反应将氢与一些氧结合而转化为电能。找到恰当的厚度会对电催化剂的表面产生应力,并提高其进行反应的程度。

过去的研究人员曾尝试使用外力来扩张或压缩电催化剂的表面,但这样做有可能使电催化剂的稳定性降低。

相反,格里利的小组通过计算机模拟预测,钯电催化剂表面上的固有力可以被操纵以获得最佳性能。

根据模拟结果,五层厚的电催化剂,每层都像原子一样薄,足以优化性能。

“不要打击力量,使用它们,”郑振华说,他是普渡大学化学工程博士后研究员,也是本文的共同首位和共同作者。“这有点像建筑中的一些结构不需要外部梁或柱,因为张力和压缩力是分布和平衡的。”

Chao Wang在约翰霍普金斯大学实验室的实验证实了模拟预测,发现该方法可以将催化剂活性提高10到50倍,使用的金属比目前在燃料电池电极中使用的金属少90%。

这是因为原子级薄电极上的表面力调整金属板的应变或原子间距离,改变它们的催化性能。

“通过调整材料的厚度,我们能够产生更多的应变。这意味着你可以更自由地加速你想要的材料表面反应,”王说。

该研究得到了多个实体的支持,包括美国能源部,国家能源研究科学计算中心和国家科学基金会。

这项工作与普渡大学的巨型飞跃庆祝活动保持一致,承认该大学在普渡大学成立150周年之际在可持续经济和地球方面取得的全球进步。这是为期一年的庆祝活动创意节的四个主题之一,旨在展示普渡大学作为解决现实问题的知识中心。