研究人員改進(jìn)的燃料電池技術(shù)得到新的突破

據(jù)外媒報(bào)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(jìn)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(dá)到同樣的里程碑。

該項(xiàng)最新突破可能實(shí)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(jìn)展可能會為汽車和其他車輛引入一種廉價而實(shí)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(xiàng)PEMFC技術(shù)有望成為汽車內(nèi)燃機(jī)的清潔替代品，而內(nèi)燃機(jī)會排放溫室氣體和污染物。

不過，在該項(xiàng)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(jìn)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(tuán)隊(duì)克服了幾個主要障礙，滿足了DOE的要求。首先，該團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(jìn)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(xiàng)研究最具挑戰(zhàn)性的部分就是，我們需要有一個堅(jiān)實(shí)又可靠的基準(zhǔn)來衡量我們的研究進(jìn)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?！?/p>

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(jìn)行分子動力學(xué)模擬。
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