高性能單原子催化劑可用于高溫燃料電池

據外媒報道，與需要充電的二次電池不同，燃料電池是一種以氫氣為燃料、氧氣為氧化劑，直接通過電化學反應產生電能的環保發電系統。燃料電池有多種類型，其工作溫度和電解質材料各不相同。其中，使用陶瓷電解質的固體氧化物燃料電池（SOFC）受到越來越多的關注。由于它的工作溫度高達700℃左右，因此在各種燃料電池中效率最高，還可以通過蒸汽分解產生氫氣。

為了實現該技術的商業化，必須進一步提高電池性能，新型高溫催化劑材料備受期待。鉑（Pt）基催化劑在燃料電池電極反應中表現出優異的性能。特別是單原子鉑催化劑，由于其獨特的功能性而被積極研究。然而，在高溫下，鉑原子不穩定。因此，單原子鉑催化劑只在低溫燃料電池中使用，如用于氫能電動汽車的聚合物——電解質膜燃料電池。

在這種情況下，研究團隊開發出了一種只需要少量鉑就能大幅提高性能，并能在高溫下穩定運行的催化劑。韓國科學技術研究院（KIST）宣布，其能源材料研究中心的Kyung-Joong Yoon博士和Ji-Su Shin研究員與漢陽大學的Yun -Jung Lee教授共同開發了一種可用于SOFCs的單原子鉑催化劑。

在他們的研究中，整個鉑原子分布均勻，即使在高溫下也能單獨發揮作用而不結塊。實驗證明，它能使電極反應速度提高10倍以上。即使在高達700℃的高溫下也能工作500小時以上，發電和制氫性能提高3～4倍。該技術有望加速下一代環保燃料電池——固體氧化物燃料電池（SOFCs）的商業化進程。

研究團隊聯合開發的單原子催化劑是由鉑原子和氧化鈰納米顆粒組合而成。每一個鉑原子都被單獨分散在氧化鈰納米顆粒的表面，即使在高溫下，強大的結合力也能長時間保持原子的分散狀態，這使得所有鉑原子都能參與反應。這又使得在盡量減少鉑的使用量的同時，可以大幅度提高電極反應的速率。

在制造這種單原子催化劑時，將含有鉑和鈰離子的溶液注入到SOFCs的電極中，在燃料電池高溫工作時合成催化劑。由于不需要任何特殊設備就可以輕松地注入電極，因此預計新開發的催化劑可以很容易地應用到現有的燃料電池制造工藝中。

來自KIST的Kyung-Joong Yoon博士表示：“本研究開發的催化劑可以利用簡單易行的低成本工藝應用于各種固體氧化物燃料電池和高溫電化學裝置，因此有望加速下一代環保發電和儲能裝置的開發。基于單原子催化劑即使在700℃以上也能穩定運行，其應用領域將大大拓展，包括高溫熱化學反應和高溫電化學反應。”