氢燃料电池的寿命越来越长

燃料电池在交通繁忙的情况下作为电池供电的电动汽车的替代品越来越重要，特别是因为氢是一种 CO2- 中性能源载体，如果它是从可再生资源中获得的。为了高效运行，燃料电池需要一种能改善产生电能的电化学反应的电催化剂。今天用作标准的铂钴纳米颗粒催化剂具有良好的催化性能，并且只需要尽可能少的稀有和昂贵的铂。为了使催化剂用于燃料电池，它的表面必须具有非常小的纳米范围内的铂-钴颗粒，用于导电碳载体材料。由于燃料电池中的小颗粒以及碳暴露于腐蚀中，电池会随着时间的推移失去效率和稳定性。

由伯尔尼大学化学与生物化学系 (DCB) 的 Matthias Arenz 教授领导的一个国际团队现在已经成功地使用一种特殊的工艺来生产一种不含碳载体的电催化剂，与现有的催化剂不同，它由一个薄的金属网络，因此更耐用。“我们开发的催化剂即使在更高的温度和高电流密度下也能实现高性能并保证燃料电池稳定运行，”Matthias Arenz 说。结果已发表在《自然材料》上.该研究是 DCB 与哥本哈根大学和莱布尼茨等离子体科学与技术研究所等机构之间的国际合作，莱布尼茨等离子体科学与技术研究所也使用了 Paul Scherrer 研究所的瑞士光源 (SLS) 基础设施。

燃料电池——不燃烧直接发电

在氢燃料电池中，氢原子被分裂以直接从中产生电能。为此，氢气被送入电极，在那里它被分裂成带正电的质子和带负电的电子。电子通过电极流出并在电池外部产生电流，例如驱动汽车发动机。质子通过仅对质子可渗透的膜，并在另一侧涂有催化剂(此处来自铂钴合金网络)的第二电极上与空气中的氧气发生反应，从而产生水蒸气。这通过“排气”排出。

电催化剂的重要作用

为了使燃料电池发电，两个电极都必须涂有催化剂。如果没有催化剂，化学反应会非常缓慢地进行。这尤其适用于第二电极，氧电极。然而，催化剂的铂钴纳米颗粒在车辆运行期间会“熔化在一起”。这减少了催化剂的表面，因此降低了电池的效率。此外，通常用于固定催化剂的碳在用于道路交通时会腐蚀。这会影响燃料电池的使用寿命，进而影响车辆的使用寿命。“因此，我们的动机是生产一种没有碳载体但功能强大的电催化剂，”Matthias Arenz 解释说。以前，没有载体材料的类似催化剂总是只有减小的表面积。

工业适用技术

由于一种称为阴极溅射的特殊工艺，研究人员能够将这一想法变为现实。使用这种方法，材料的个体(此处为铂或钴)通过离子轰击溶解(雾化)。释放的气态原子然后凝结为粘合层。“通过特殊的溅射工艺和后续处理，可以获得非常多孔的结构，这使催化剂具有高表面积并同时具有自支撑性。因此碳载体是多余的，”Gustav Sievers 博士说，该研究的主要作者来自莱布尼茨等离子体科学与技术研究所。

“这项技术在工业上具有可扩展性，因此也可以用于更大的生产量，例如在汽车行业，”Matthias Arenz 说。这个过程允许氢燃料电池进一步优化用于道路交通。“因此，我们的研究结果对于进一步发展可持续能源使用具有重要意义，特别是考虑到重型货车移动领域的当前发展，”Arenz 说。