英国：科学家利用石墨烯研究出寿命更长的燃料电池新材料

这项研究近日发表在《Nanoscale》杂志上。科学家们通过一种特殊的可扩展技术生产了石墨烯，并将其用于开发氢燃料电池催化剂。来自伦敦玛丽大学和伦敦大学学院（UCL）的科学家组成的研究小组表明，这种新型的石墨烯基催化剂比市售催化剂更耐用，性能也与现有催化剂相匹配。

氢燃料电池通过在催化剂的帮助下将氢和氧结合起来，将化学能转化为电能。由于反应的唯一副产品是水，因此它们提供了高效且环保的动力源。

铂是这些燃料电池中使用最广泛的催化剂，但其高昂的成本是氢燃料电池商业化的一大难题。为了解决这一问题，商业催化剂通常是将微小的铂纳米颗粒装在更便宜的碳载体上，然而这种材料因耐久性差从而会大大缩短现有燃料电池的寿命。

先前的研究表明，石墨烯由于其耐腐蚀性，高表面积和高导电性而可以成为燃料电池的理想载体材料。但迄今为止，大多数实验中使用的石墨烯都包含许多缺陷，这意味着尚未能实现预期的目标。

该研究中描述的技术通过一锅法（one-pot synthesis）合成出了装有铂纳米颗粒的高质量石墨烯。该方法可以应用于大规模生产，因此可将石墨烯基催化剂用于多数的能源设备。

带有铂纳米粒子的石墨烯的透射电子显微照片。

黑点是铂纳米颗粒，而它们位于其上的灰色薄片是石墨烯载体材料。

（图片来源：Patrick Cullen / Gyen Ming Angel）

UCL电化学工程教授Dan Brett教授说：“ 在不破坏环境的前提下满足全球能源需求是当今面临的巨大挑战之一。氢燃料电池可以提供更清洁的能源，并且已经在某些汽车中成为汽油或柴油的替代品。然而，催化剂大范围商业化应用面临的最大障碍是催化剂在能源设备中多次循环使用的能力。我们已经证明，使用石墨烯代替典型的无定形碳作为载体材料，我们可以制造出超耐用的催化剂。”

研究人员通过一种美国能源部推荐的测试——加速应力测试，证实了石墨烯基催化剂的耐久性。加速应力测试故意在短时间内对催化剂进行多次循环快速加压，使科学家无需将其放在运行中的燃料电池中使用数月或数年，就能够评估新材料的稳定性。

科学家通过这些测试表明，与商用催化剂相比，新开发的石墨烯基催化剂在相同测试时间内活性损失降低了约30％。

来自UCL的博士生、研究报告的主要作者Gyen Ming Angel说：“能源部设定了燃料电池的耐用性测试和目标，其中一项加速应力测试可模拟正常操作条件，而另一项则可模拟启动和关闭燃料电池时所经历的高压。石墨烯领域的大多数研究仅使用其中一项测试进行评估。但是，由于我们的材料中含有高质量的石墨烯，因此我们在测试和长时间测试中都能够获得高耐久性，这对这些材料未来的商业化非常重要。我们期待将我们的新型催化剂应用于商业技术，并实现燃料电池更长寿命的目标。”

石墨烯由排列成六边形晶格的单层碳原子制成。尽管石墨烯的结构相对简单，但人们认为它具有出色的性能，包括高电导率，高透明度和高柔韧性。

伦敦玛丽皇后大学可再生能源讲师帕特里克·卡伦博士说：“多年来，石墨烯受到了很多“炒作宣传”，并且说这种材料的应用前景广阔。然而，研究界仍在等待石墨烯的全部潜能被发掘应用，这导致了人们对这种被提及的“神奇材料”产生了否定。许多关于石墨烯的研究都使用有缺陷的石墨烯，这些结论对改变上述事实无济于事。我们希望通过本文，能够恢复人们对石墨烯的信心，并表明这种材料正在改善技术，如燃料电池方面具有巨大潜力，无论是现在还是将来。”

文章资料来源：伦敦大学玛丽皇后学院