燃料电池催化剂有望大幅降低燃料电池造价？能根本上解决关键性问题！
来源：宝鄂实业
2019-04-21 11:25
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4月19日电(记者李伟)《自然.通讯》近日在线发表武汉大学关于碱性聚合物电解质燃料电池非贵金属催化剂的最新研究成果，揭示了燃料电池催化剂设计的一个重要原理，有望大幅降低燃料电池造价，解决我国目前车用燃料电池关键材料依赖进口问题。
记者19日从武汉大学获悉，化学与分子科学学院庄林、肖丽课题组在一年时间中，结合多种谱学和计算方法，全面揭示了这一发现背后的机理。
原来，科研人员在研究中发现，在新型燃料电池阴极，水分子参与氧气还原反应但并非大量存在，因此水分子的活化成为一个关键因素。基于这一发现研制的新型燃料电池，其特点是可使用非贵金属催化剂。
这一发现不仅揭示了燃料电池催化剂设计的一个重要原理，而且使新型燃料电池非贵金属阴极性能达到一个高水平。
固体酸催化剂安全、绿色、腐蚀性小、易于回收，它逐渐取代传统液体酸催化剂，在各类化工生产中发挥着重要作用。固体酸催化也是酸催化领域的重要研究方向。但是传统的固体酸催化剂酸密度低、稳定性差、成本较高及催化性能不佳。近年来，以日本Hara研究团队研制出的磺化碳基材料为代表的新型固体酸催化剂，在亲水性反应展示出了良好的催化性能。但是该类材料在疏水性反应中的性能不佳。适用于各种重要反应的新型固体酸催化剂研发是研究和产业领域的巨大挑战和急迫需求。
中国科学技术大学俞书宏教授和梁海伟教授研究团队开发出一种简单而有效的宏量制备方法，研制了基于价廉的细菌纤维素的新型纳米纤维固体酸催化剂材料，并探究了此类纳米纤维固体酸催化剂在几种重要化学工业催化反应中的应用前景，相关研究结果发表在4月16日的《Research》上。
生产1吨细菌纤维素，只需要不到2吨的葡萄糖，成本低廉并可大规模量产。通过不完全碳化和磺化，这种细菌纳米纤维素即可制备新型固体酸催化剂。该制备工艺简单、成本低廉，易于推广使用。更为重要的是，制备的固体酸催化剂保留了天然细菌纤维的三维纳米纤维网络结构，具有较高的比表面积和大孔容。此外，高效的磺化工艺使该纳米纤维具有丰富的Brnsted酸位点，包括高酸密度的硫酸基团以及羟基和羧基基团。
在一系列重要的酸催化反应中，包括疏水性反应、亲水性反应和酸强依赖性反应，这种新型固体酸催化剂的催化性能均优于目前通用的固体酸催化剂，甚至在某些情况下性能优于经典的液体酸催化剂硫酸。此外，该新型固体酸催化剂在其他重要反应中也展现出卓越的性能，如β-烯酮/酯的合成和硝基苯还原等。
该项研究表明，今后有望利用廉价生物质细菌纤维素来制备高效纳米纤维固体酸催化剂。这种新型纳米纤维固体酸催化剂因其制备工艺简单、原料低廉易得，可以实现规模化生产，有望在化工领域推广使用。此外，该方法体系可以拓展到价格更加低廉的木材基纳米纤维来制备高效的新型固体酸催化剂，同时也可推广到其他固体酸催化剂体系，如磷酸化固体酸催化剂等。因此，为进一步开发基于纳米结构生物质材料的绿色、可持续、高效的催化剂提供了新的思路。
尼日利亚籍留学生萨姆勒(IkechukwuSamuelAnyanwu)正在天津大学机械工程学院攻读能源与动力工程专业的博士学位。在中国政府奖学金的资助下，他从2016年9月份进入焦魁教授的课题组开展科研工作。目前，他的研究方向为低温质子交换膜燃料电池的水管理研究，致力于燃料电池流道内的两相流动分析。他针对现有流道设计进行优化分析，并进一步提出了新型的波形流道设计。
迄今为止，他以第一作者身份发表SCI论文一篇(InternationalJournalofHydrogenEnergy)，同时另一篇论文正处于审稿阶段。此外，凭借燃料电池流道的新颖设计，他正在申请一项发明专利。
“我们的课题组科研氛围十分浓厚，团队合作非常紧密，在我科研过程的每个阶段，都非常有幸的得到了团队成员的鼎力相助与大力支持。”萨姆勒说。
萨姆勒兴奋地说道：“事实上，在天津大学机械工程学院，国际留学生、教授和课题组成员间有着难以置信的紧密协作关系。教授及大多数中国学生的英文水平是十分值得称赞的，这些都使我更加振奋，科研工作的开展也更加的顺利。这也是我为什么说机械工程学院是开展科研，做出成果的最佳港湾。”同时他还非常感谢中国政府的资助及天津大学提供的良好学习氛围。
通过在中国的学习，萨姆勒已经掌握了许多燃料电池设计及编程方面的知识，他认为这些专业技能无论是对现在，还是对以后的职业规划都大有裨益。尽管学习是无止境的过程，他希望能在中国的学习岁月中获益更多。
自2016年起，天津大学机械工程学院开始开设硕士及博士的机械工程专业全英文课程，现已有大约100名国际留学生在机械工程学院生活学习。在教职工、本土学生及国际留学生的共同努力下，国际研究生已开始为机械工程学院贡献科研力量。
记者19日从武汉大学获悉，化学与分子科学学院庄林、肖丽课题组在一年时间中，结合多种谱学和计算方法，全面揭示了这一发现背后的机理。
原来，科研人员在研究中发现，在新型燃料电池阴极，水分子参与氧气还原反应但并非大量存在，因此水分子的活化成为一个关键因素。基于这一发现研制的新型燃料电池，其特点是可使用非贵金属催化剂。
这一发现不仅揭示了燃料电池催化剂设计的一个重要原理，而且使新型燃料电池非贵金属阴极性能达到一个高水平。
固体酸催化剂安全、绿色、腐蚀性小、易于回收，它逐渐取代传统液体酸催化剂，在各类化工生产中发挥着重要作用。固体酸催化也是酸催化领域的重要研究方向。但是传统的固体酸催化剂酸密度低、稳定性差、成本较高及催化性能不佳。近年来，以日本Hara研究团队研制出的磺化碳基材料为代表的新型固体酸催化剂，在亲水性反应展示出了良好的催化性能。但是该类材料在疏水性反应中的性能不佳。适用于各种重要反应的新型固体酸催化剂研发是研究和产业领域的巨大挑战和急迫需求。
中国科学技术大学俞书宏教授和梁海伟教授研究团队开发出一种简单而有效的宏量制备方法，研制了基于价廉的细菌纤维素的新型纳米纤维固体酸催化剂材料，并探究了此类纳米纤维固体酸催化剂在几种重要化学工业催化反应中的应用前景，相关研究结果发表在4月16日的《Research》上。
生产1吨细菌纤维素，只需要不到2吨的葡萄糖，成本低廉并可大规模量产。通过不完全碳化和磺化，这种细菌纳米纤维素即可制备新型固体酸催化剂。该制备工艺简单、成本低廉，易于推广使用。更为重要的是，制备的固体酸催化剂保留了天然细菌纤维的三维纳米纤维网络结构，具有较高的比表面积和大孔容。此外，高效的磺化工艺使该纳米纤维具有丰富的Brnsted酸位点，包括高酸密度的硫酸基团以及羟基和羧基基团。
在一系列重要的酸催化反应中，包括疏水性反应、亲水性反应和酸强依赖性反应，这种新型固体酸催化剂的催化性能均优于目前通用的固体酸催化剂，甚至在某些情况下性能优于经典的液体酸催化剂硫酸。此外，该新型固体酸催化剂在其他重要反应中也展现出卓越的性能，如β-烯酮/酯的合成和硝基苯还原等。
该项研究表明，今后有望利用廉价生物质细菌纤维素来制备高效纳米纤维固体酸催化剂。这种新型纳米纤维固体酸催化剂因其制备工艺简单、原料低廉易得，可以实现规模化生产，有望在化工领域推广使用。此外，该方法体系可以拓展到价格更加低廉的木材基纳米纤维来制备高效的新型固体酸催化剂，同时也可推广到其他固体酸催化剂体系，如磷酸化固体酸催化剂等。因此，为进一步开发基于纳米结构生物质材料的绿色、可持续、高效的催化剂提供了新的思路。
尼日利亚籍留学生萨姆勒(IkechukwuSamuelAnyanwu)正在天津大学机械工程学院攻读能源与动力工程专业的博士学位。在中国政府奖学金的资助下，他从2016年9月份进入焦魁教授的课题组开展科研工作。目前，他的研究方向为低温质子交换膜燃料电池的水管理研究，致力于燃料电池流道内的两相流动分析。他针对现有流道设计进行优化分析，并进一步提出了新型的波形流道设计。
迄今为止，他以第一作者身份发表SCI论文一篇(InternationalJournalofHydrogenEnergy)，同时另一篇论文正处于审稿阶段。此外，凭借燃料电池流道的新颖设计，他正在申请一项发明专利。
“我们的课题组科研氛围十分浓厚，团队合作非常紧密，在我科研过程的每个阶段，都非常有幸的得到了团队成员的鼎力相助与大力支持。”萨姆勒说。
萨姆勒兴奋地说道：“事实上，在天津大学机械工程学院，国际留学生、教授和课题组成员间有着难以置信的紧密协作关系。教授及大多数中国学生的英文水平是十分值得称赞的，这些都使我更加振奋，科研工作的开展也更加的顺利。这也是我为什么说机械工程学院是开展科研，做出成果的最佳港湾。”同时他还非常感谢中国政府的资助及天津大学提供的良好学习氛围。
通过在中国的学习，萨姆勒已经掌握了许多燃料电池设计及编程方面的知识，他认为这些专业技能无论是对现在，还是对以后的职业规划都大有裨益。尽管学习是无止境的过程，他希望能在中国的学习岁月中获益更多。
自2016年起，天津大学机械工程学院开始开设硕士及博士的机械工程专业全英文课程，现已有大约100名国际留学生在机械工程学院生活学习。在教职工、本土学生及国际留学生的共同努力下，国际研究生已开始为机械工程学院贡献科研力量。
