KIST利用半导体制造技术合成金属纳米颗粒 可提高燃料电池催化剂的性能

  • 发表于: 2022-03-01 12:15:47 来源:盖世汽车

据外媒报道,韩国一研究团队利用半导体制造技术合成了金属纳米颗粒,可以明显提高氢燃料电池催化剂的性能。

(图片来源:KIST)

韩国科学技术研究所(KIST)宣布,由氢燃料电池研究中心的Sung Jong Yoo博士领导的研究小组,利用溅射工艺,成功地通过物理方法(而不是现有的化学反应)合成了纳米颗粒。溅射工艺是半导体制造过程中使用的一种金属薄膜沉积技术。

过去几十年,很多领域都探讨过金属纳米颗粒。近年来,作为氢燃料电池和水电解制氢系统中的关键催化剂,这种颗粒引起了人们关注。金属纳米颗粒主要通过复杂的化学反应来制备,而且制备时使用的有机物质对环境和人类有害。后续处理会产生额外成本,合成条件也具有挑战性。因而,需要一种新的纳米颗粒合成方法来建立氢能体系,以克服现有化学合成方法的缺点。

KIST研究团队使用的溅射工艺,是在半导体制造过程中往表面涂覆金属薄膜。在这一过程中,利用等离子体将大的金属切割成纳米颗粒,然后将纳米颗粒沉积在基质上形成薄膜。

该团队利用一种特殊的葡萄糖基质来制备纳米颗粒。在制备过程中,这种基质可以防止金属纳米颗粒通过等离子体转化为薄膜。该合成方法采用物理气相沉积原理,使用的是等离子体,而不是化学反应。通过这种简单的方法,可以合成金属纳米颗粒,并克服现有化学合成方法的局限性。

现有化学合成方法限制了可成为纳米颗粒的金属类型,影响开发新催化剂;而且必须根据金属类型改变合成条件。然而,通过这种新开发的合成方法,有可能合成更多不同金属的纳米颗粒。此外,如果将该技术同时应用于两种或多种金属,则可以合成含有多种成分的合金纳米颗粒。这将有助于开发基于多种成分合金的高性能纳米颗粒催化剂。

KIST研究团利用该技术合成了一种铂钴钒合金纳米颗粒催化剂,并将其应用于氢燃料电池电极的氧还原反应。比起铂和铂钴合金催化剂(商用氢燃料电池催化剂),其催化活性分别高7倍和3倍。此外,研究人员还探讨,新添加的钒对纳米颗粒中其他金属的影响。经计算机模拟发现,钒通过优化铂-氧键能,改善了催化剂的性能。

该所Sung Jong Yoo博士表示:“这项研究开发了一种基于创新概念的合成方法,可以应用于以金属纳米颗粒为重点的研究,以开发水电解系统、太阳能电池和石化产品。研究人员将把新结构合金纳米颗粒应用到开发过程中(这在以前很难实现),努力建设完整的氢经济,并开发碳中和技术,以发展氢燃料电池等环境友好型能源技术。”