2021年12月04日 | 中外研究人员开发新催化剂推进直接乙醇燃料电池发展

2021-12-04 来源：盖世汽车

据外媒报道，美国和中国的研究人员开发了一种催化剂，解决了直接乙醇燃料电池 (DEFC) 长期以来存在的三个关键问题：效率低、催化材料成本高以及电芯内的化学反应具有毒性。这为推广由直接乙醇燃料电池驱动的清洁汽车开辟了道路。

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（图片来源：俄勒冈州立大学）

由中佛罗里达大学（University of Central Florida）、俄勒冈州立大学（Oregon State University）、匹兹堡大学（University of Pittsburgh）和中国深圳南方科技大学（Southern University of Science and Technology）的研究人员组成的团队发现，将氟原子置入钯-氮-碳催化剂中具有诸多积极影响，包括使功率密集型电池保持稳定近6000小时。

最近，在许多“缓慢”的新兴电催化系统中，局部配位环境（LCE）被证明在促进反应动力学方面发挥着重要作用。例如，高能直接乙醇燃料电池（DEFC）的广泛应用，受到“缓慢的”12电子乙醇氧化反应（EOR）和4电子氧还原反应（ORR）的阻碍。

经典设计是通过在导电碳载体中嵌入金属-氮（OM-N）活性基团来改善ORR动力学，从而形成M-N-C配位。其它杂原子（X=P，S，B等）也嵌入碳载体中，形成M-X-C配位，以改善ORR动力学，这极可能是通过原子间的协同作用来进行的。LCE被认为是低维催化剂的重要调节因素，如单原子位点催化剂，因其对LCE具有较高的灵敏度。然而，如何在大尺寸催化剂（即纳米材料和商用材料）中实现LCE概念，这一根本问题仍未解决。EOR顺利进行的前提条件是至少有三个连续的原子位点，这使调控LCE变得更难。

研究人员为此通过有效策略设计来调控LCE，并在M/X–C催化剂中创建催化M–X基团，在其中引入F配位，以削弱C-X键并驱动X原子至金属位点。尤其是使用经典Pd/N–C作为模型催化剂来验证概念，并探索潜在材料化学特性，因其对EOR和ORR具有双重功能。据证明，对于调节其他Pd/X–C (X = P, S, B)和商用催化剂 (Pd/C和Pt/C)的LCE，这一策略也是有效和通用的。

研究人员正在筹集资金，以开发用于便携式设备和车辆的DEFC单元原型。如果成功的话，可以在五年内推出一款商业化设备。

研究人员表示，第一辆由乙醇燃料电池驱动的汽车是在2007年开发的。然而，由于DEFC的效率低、催化剂成本，而且燃料电池内反应产生的一氧化碳可能导致催化剂中毒，该类汽车的深入发展明显滞后。为了解决这些问题，研究团队开发了高性能钯合金催化剂，与目前的钯基催化剂相比，这种催化剂使用的贵金属更少。

该团队证明，在钯-氮-碳催化剂中引入氟原子，可以改变钯周围的环境，从而提高电芯中两类重要反应的活性和耐久性，包括乙醇氧化反应和氧还原反应。在阿贡进行的先进同步加速器X射线光谱表征表明，引入氟原子可以创造更富氮的钯表面，从而促进催化过程。通过抑制钯迁移和减少碳腐蚀，提高耐久性。

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一、工作原理相关问题

问：门控夜明灯电路是如何实现自动开关的？
答：门控夜明灯电路主要通过门控开关、延迟电路、光控电路和电源电路等几部分组成。当门打开时，门控开关触发电路，使电灯点亮。同时，延迟电路控制电灯的点亮时间，一般为几十秒左右。光控电路则确保在光线较暗的环境下（如夜晚）电路才会工作，而在白天则自动封锁电路，避免电灯误亮。
问：电路中的光控部分是如何工作的？
答：电路中的光控部分通常由光敏电阻器（如MG45型）和相关的电子元件组成。光敏电阻器的阻值会随着光照强度的变化而变化。在白天，由于光照强度大，光敏电阻器呈现低阻值状态，导致电路中的某个三极管（如VT3）导通，进而封锁整个电路，使电灯不会点亮。而在夜晚，光照强度减弱，光敏电阻器呈现高阻值状态，三极管截止，电路恢复正常工作状态，受门控开关控制。

二、安装调试相关问题

问：如何安装门控夜明灯电路？
答：安装门控夜明灯电路时，首先需要将干簧管安装在门框上，将小磁铁安装在门上，并确保两者在门关闭时能够对准并吸合。接着，将电路板固定在合适的位置，并连接好电源线和电灯线。最后，进行电路调试，确保电路能够正常工作。
问：如何调整电灯的点亮时间？
答：电灯的点亮时间主要由延迟电路中的电阻和电容决定。要调整点亮时间，可以通过改变电阻（如R2）的阻值或电容（如C1）的容量来实现。一般来说，电阻阻值增大或电容容量增大，都会导致点亮时间延长；反之，则点亮时间缩短。

三、故障排除相关问题

问：如果电灯不亮，可能是什么原因？
答：如果电灯不亮，可能是由多种原因造成的。首先，应检查电源是否正常，以及电路中的保险丝是否熔断。其次，检查门控开关是否工作正常，即干簧管和小磁铁是否能够在门打开时正确触发电路。此外，还应检查光控电路是否因光线过强而处于封锁状态。最后，检查电灯本身是否损坏。
问：电灯在白天也会亮，怎么办？
答：如果电灯在白天也会亮，可能是光控电路出现了问题。首先，应检查光敏电阻器是否损坏或受到其他光源的干扰。其次，检查与光敏电阻器相关的电子元件（如VT3）是否工作正常。如果问题依然存在，可能需要重新调整光控电路的灵敏度或更换相关元件。

四、其他相关问题

问：门控夜明灯电路适用于哪些场合？
答：门控夜明灯电路适用于需要自动照明的各种场合，如家庭玄关、走廊、楼梯间等。它能够在人们进门时自动点亮电灯，为人们提供方便，同时也能够节省能源。
问：如何选择合适的电灯与电路匹配？
答：在选择电灯与电路匹配时，首先需要考虑电灯的功率和类型。由于门控夜明灯电路通常设计为低功耗电路，因此建议选择功率较小、发光效率较高的电灯，如LED灯泡。此外，还需要确保电灯的电压和电流与电路的输出相匹配，以避免电路损坏或电灯烧毁。

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