研究人員改進的燃料電池技術(shù)得到新的突破

據(jù)外媒報道，美國加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）、加州理工學(xué)院（Caltech）和福特汽車公司的一組研究人員改進了燃料電池技術(shù)，而且讓該技術(shù)在效率、穩(wěn)定性和功率方面都超過了美國能源部（DOE）設(shè)定的目標(biāo)，而且目前還沒有其他燃料電池同時在此類方面達到同樣的里程碑。

該項最新突破可能實現(xiàn)一種新型可再生能源，能夠在白天利用太陽能將水（H2O）變成氫氣，在晚上又能夠?qū)錃庾兓貫樗?，同時還能夠提供電力。

研究人員表示，此次在性能上取得重大進展可能會為汽車和其他車輛引入一種廉價而實用的零排放能源技術(shù)，只會向大氣中排放水。該研究關(guān)注于微調(diào)微觀表面的細(xì)節(jié)，即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)提供能量的地方的細(xì)節(jié)。

與電池類似，燃料電池也能夠存儲能量。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）能夠從空氣中存儲的氫氣和氧氣的化學(xué)反應(yīng)中獲取能量。此類氣體能夠在燃料電池內(nèi)部結(jié)合，以提供電能，同時只排放水，不排放二氧化碳，因而使其非常環(huán)保。該項PEMFC技術(shù)有望成為汽車內(nèi)燃機的清潔替代品，而內(nèi)燃機會排放溫室氣體和污染物。

不過，在該項燃料電池技術(shù)得以廣泛采用之前，還需要克服幾個障礙。其中一個主要的問題是，將氧氣還原成水的化學(xué)反應(yīng)非常緩慢，需要大量且昂貴的鉑來啟動和維持這個反應(yīng)。此外，雖然產(chǎn)生的水蒸氣遠(yuǎn)好于碳排放，但是水蒸氣的出現(xiàn)會讓反應(yīng)停止，因此必須迅速將水蒸氣轉(zhuǎn)移，以讓化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)進行。

在加州大學(xué)洛杉磯分校Samueli工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系Yu Huang教授的帶領(lǐng)下，該團隊克服了幾個主要障礙，滿足了DOE的要求。首先，該團隊極大地加速了化學(xué)反應(yīng)，大大減少了對昂貴鉑的需求量。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了一種快速排出反應(yīng)區(qū)多余水分的方法。

該研究的第一作者、Huang教授團隊的博士后Zipeng Zhao表示，關(guān)鍵在于從納米尺度塑造碳載體的表面細(xì)節(jié)，讓流入的氧氣與流出的副產(chǎn)物水擁有完美的比例，從而最大限度地提高化學(xué)反應(yīng)速率。

黃教授是加州大學(xué)洛杉磯分校納米系統(tǒng)研究所的成員，領(lǐng)導(dǎo)了燃料電池改進研究多年，其中包括改變?nèi)剂想姵氐男螤钜源蠓鶞p少催化反應(yīng)所需的鉑量，以及創(chuàng)造出新型納米結(jié)構(gòu)，以提升燃料電池的效率。

黃教授最近的研究則是從零開始的工作，專注于微調(diào)碳支撐結(jié)構(gòu)的表面，即化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方。雖然鉑本身會催化反應(yīng)，但與周圍的碳相比，只占十分之一的空間，這也意味著在大多數(shù)時候，氫氣、氧氣以及由此產(chǎn)生的水蒸氣都在碳表面附近。

黃教授表示：“該項研究最具挑戰(zhàn)性的部分就是，我們需要有一個堅實又可靠的基準(zhǔn)來衡量我們的研究進展。我們花了近兩年的時間研發(fā)了一套可重復(fù)采用的工程技術(shù)以及優(yōu)化協(xié)議，以制備燃料電池，這也使我們能夠從科學(xué)的角度研究催化劑層，并得到一個可靠的結(jié)論。”

另一個挑戰(zhàn)就是對燃料電池原子層獲得了解。為此，黃教授與加州理工學(xué)院化學(xué)、材料科學(xué)和應(yīng)用物理系的Charles and Mary Ferkel教授William A. Goddard III長期合作，以對理想的微環(huán)境進行分子動力學(xué)模擬。
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