燃料電池催化劑有望大幅降低燃料電池造價(jià)？能根本上解決關(guān)鍵性問(wèn)題！
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-21 11:25
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4月19日電(記者李偉)《自然.通訊》近日在線(xiàn)發(fā)表武漢大學(xué)關(guān)于堿性聚合物電解質(zhì)燃料電池非貴金屬催化劑的最新研究成果，揭示了燃料電池催化劑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原理，有望大幅降低燃料電池造價(jià)，解決我國(guó)目前車(chē)用燃料電池關(guān)鍵材料依賴(lài)進(jìn)口問(wèn)題。
記者19日從武漢大學(xué)獲悉，化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院莊林、肖麗課題組在一年時(shí)間中，結(jié)合多種譜學(xué)和計(jì)算方法，全面揭示了這一發(fā)現(xiàn)背后的機(jī)理。
原來(lái)，科研人員在研究中發(fā)現(xiàn)，在新型燃料電池陰極，水分子參與氧氣還原反應(yīng)但并非大量存在，因此水分子的活化成為一個(gè)關(guān)鍵因素。基于這一發(fā)現(xiàn)研制的新型燃料電池，其特點(diǎn)是可使用非貴金屬催化劑。
這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了燃料電池催化劑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原理，而且使新型燃料電池非貴金屬陰極性能達(dá)到一個(gè)高水平。
固體酸催化劑安全、綠色、腐蝕性小、易于回收，它逐漸取代傳統(tǒng)液體酸催化劑，在各類(lèi)化工生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。固體酸催化也是酸催化領(lǐng)域的重要研究方向。但是傳統(tǒng)的固體酸催化劑酸密度低、穩(wěn)定性差、成本較高及催化性能不佳。近年來(lái)，以日本Hara研究團(tuán)隊(duì)研制出的磺化碳基材料為代表的新型固體酸催化劑，在親水性反應(yīng)展示出了良好的催化性能。但是該類(lèi)材料在疏水性反應(yīng)中的性能不佳。適用于各種重要反應(yīng)的新型固體酸催化劑研發(fā)是研究和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)和急迫需求。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授和梁海偉教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單而有效的宏量制備方法，研制了基于價(jià)廉的細(xì)菌纖維素的新型納米纖維固體酸催化劑材料，并探究了此類(lèi)納米纖維固體酸催化劑在幾種重要化學(xué)工業(yè)催化反應(yīng)中的應(yīng)用前景，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在4月16日的《Research》上。
生產(chǎn)1噸細(xì)菌纖維素，只需要不到2噸的葡萄糖，成本低廉并可大規(guī)模量產(chǎn)。通過(guò)不完全碳化和磺化，這種細(xì)菌納米纖維素即可制備新型固體酸催化劑。該制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，易于推廣使用。更為重要的是，制備的固體酸催化劑保留了天然細(xì)菌纖維的三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較高的比表面積和大孔容。此外，高效的磺化工藝使該納米纖維具有豐富的Brnsted酸位點(diǎn)，包括高酸密度的硫酸基團(tuán)以及羥基和羧基基團(tuán)。
在一系列重要的酸催化反應(yīng)中，包括疏水性反應(yīng)、親水性反應(yīng)和酸強(qiáng)依賴(lài)性反應(yīng)，這種新型固體酸催化劑的催化性能均優(yōu)于目前通用的固體酸催化劑，甚至在某些情況下性能優(yōu)于經(jīng)典的液體酸催化劑硫酸。此外，該新型固體酸催化劑在其他重要反應(yīng)中也展現(xiàn)出卓越的性能，如β-烯酮/酯的合成和硝基苯還原等。
該項(xiàng)研究表明，今后有望利用廉價(jià)生物質(zhì)細(xì)菌纖維素來(lái)制備高效納米纖維固體酸催化劑。這種新型納米纖維固體酸催化劑因其制備工藝簡(jiǎn)單、原料低廉易得，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，有望在化工領(lǐng)域推廣使用。此外，該方法體系可以拓展到價(jià)格更加低廉的木材基納米纖維來(lái)制備高效的新型固體酸催化劑，同時(shí)也可推廣到其他固體酸催化劑體系，如磷酸化固體酸催化劑等。因此，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基于納米結(jié)構(gòu)生物質(zhì)材料的綠色、可持續(xù)、高效的催化劑提供了新的思路。
尼日利亞籍留學(xué)生薩姆勒(IkechukwuSamuelAnyanwu)正在天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院攻讀能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的博士學(xué)位。在中國(guó)政府獎(jiǎng)學(xué)金的資助下，他從2016年9月份進(jìn)入焦魁教授的課題組開(kāi)展科研工作。目前，他的研究方向?yàn)榈蜏刭|(zhì)子交換膜燃料電池的水管理研究，致力于燃料電池流道內(nèi)的兩相流動(dòng)分析。他針對(duì)現(xiàn)有流道設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析，并進(jìn)一步提出了新型的波形流道設(shè)計(jì)。
迄今為止，他以第一作者身份發(fā)表SCI論文一篇(InternationalJournalofHydrogenEnergy)，同時(shí)另一篇論文正處于審稿階段。此外，憑借燃料電池流道的新穎設(shè)計(jì)，他正在申請(qǐng)一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。
“我們的課題組科研氛圍十分濃厚，團(tuán)隊(duì)合作非常緊密，在我科研過(guò)程的每個(gè)階段，都非常有幸的得到了團(tuán)隊(duì)成員的鼎力相助與大力支持。”薩姆勒說(shuō)。
薩姆勒興奮地說(shuō)道：“事實(shí)上，在天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，國(guó)際留學(xué)生、教授和課題組成員間有著難以置信的緊密協(xié)作關(guān)系。教授及大多數(shù)中國(guó)學(xué)生的英文水平是十分值得稱(chēng)贊的，這些都使我更加振奮，科研工作的開(kāi)展也更加的順利。這也是我為什么說(shuō)機(jī)械工程學(xué)院是開(kāi)展科研，做出成果的最佳港灣。”同時(shí)他還非常感謝中國(guó)政府的資助及天津大學(xué)提供的良好學(xué)習(xí)氛圍。
通過(guò)在中國(guó)的學(xué)習(xí)，薩姆勒已經(jīng)掌握了許多燃料電池設(shè)計(jì)及編程方面的知識(shí)，他認(rèn)為這些專(zhuān)業(yè)技能無(wú)論是對(duì)現(xiàn)在，還是對(duì)以后的職業(yè)規(guī)劃都大有裨益。盡管學(xué)習(xí)是無(wú)止境的過(guò)程，他希望能在中國(guó)的學(xué)習(xí)歲月中獲益更多。
自2016年起，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院開(kāi)始開(kāi)設(shè)碩士及博士的機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)全英文課程，現(xiàn)已有大約100名國(guó)際留學(xué)生在機(jī)械工程學(xué)院生活學(xué)習(xí)。在教職工、本土學(xué)生及國(guó)際留學(xué)生的共同努力下，國(guó)際研究生已開(kāi)始為機(jī)械工程學(xué)院貢獻(xiàn)科研力量。
記者19日從武漢大學(xué)獲悉，化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院莊林、肖麗課題組在一年時(shí)間中，結(jié)合多種譜學(xué)和計(jì)算方法，全面揭示了這一發(fā)現(xiàn)背后的機(jī)理。
原來(lái)，科研人員在研究中發(fā)現(xiàn)，在新型燃料電池陰極，水分子參與氧氣還原反應(yīng)但并非大量存在，因此水分子的活化成為一個(gè)關(guān)鍵因素。基于這一發(fā)現(xiàn)研制的新型燃料電池，其特點(diǎn)是可使用非貴金屬催化劑。
這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了燃料電池催化劑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原理，而且使新型燃料電池非貴金屬陰極性能達(dá)到一個(gè)高水平。
固體酸催化劑安全、綠色、腐蝕性小、易于回收，它逐漸取代傳統(tǒng)液體酸催化劑，在各類(lèi)化工生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。固體酸催化也是酸催化領(lǐng)域的重要研究方向。但是傳統(tǒng)的固體酸催化劑酸密度低、穩(wěn)定性差、成本較高及催化性能不佳。近年來(lái)，以日本Hara研究團(tuán)隊(duì)研制出的磺化碳基材料為代表的新型固體酸催化劑，在親水性反應(yīng)展示出了良好的催化性能。但是該類(lèi)材料在疏水性反應(yīng)中的性能不佳。適用于各種重要反應(yīng)的新型固體酸催化劑研發(fā)是研究和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)和急迫需求。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授和梁海偉教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種簡(jiǎn)單而有效的宏量制備方法，研制了基于價(jià)廉的細(xì)菌纖維素的新型納米纖維固體酸催化劑材料，并探究了此類(lèi)納米纖維固體酸催化劑在幾種重要化學(xué)工業(yè)催化反應(yīng)中的應(yīng)用前景，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在4月16日的《Research》上。
生產(chǎn)1噸細(xì)菌纖維素，只需要不到2噸的葡萄糖，成本低廉并可大規(guī)模量產(chǎn)。通過(guò)不完全碳化和磺化，這種細(xì)菌納米纖維素即可制備新型固體酸催化劑。該制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，易于推廣使用。更為重要的是，制備的固體酸催化劑保留了天然細(xì)菌纖維的三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較高的比表面積和大孔容。此外，高效的磺化工藝使該納米纖維具有豐富的Brnsted酸位點(diǎn)，包括高酸密度的硫酸基團(tuán)以及羥基和羧基基團(tuán)。
在一系列重要的酸催化反應(yīng)中，包括疏水性反應(yīng)、親水性反應(yīng)和酸強(qiáng)依賴(lài)性反應(yīng)，這種新型固體酸催化劑的催化性能均優(yōu)于目前通用的固體酸催化劑，甚至在某些情況下性能優(yōu)于經(jīng)典的液體酸催化劑硫酸。此外，該新型固體酸催化劑在其他重要反應(yīng)中也展現(xiàn)出卓越的性能，如β-烯酮/酯的合成和硝基苯還原等。
該項(xiàng)研究表明，今后有望利用廉價(jià)生物質(zhì)細(xì)菌纖維素來(lái)制備高效納米纖維固體酸催化劑。這種新型納米纖維固體酸催化劑因其制備工藝簡(jiǎn)單、原料低廉易得，可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，有望在化工領(lǐng)域推廣使用。此外，該方法體系可以拓展到價(jià)格更加低廉的木材基納米纖維來(lái)制備高效的新型固體酸催化劑，同時(shí)也可推廣到其他固體酸催化劑體系，如磷酸化固體酸催化劑等。因此，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基于納米結(jié)構(gòu)生物質(zhì)材料的綠色、可持續(xù)、高效的催化劑提供了新的思路。
尼日利亞籍留學(xué)生薩姆勒(IkechukwuSamuelAnyanwu)正在天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院攻讀能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)的博士學(xué)位。在中國(guó)政府獎(jiǎng)學(xué)金的資助下，他從2016年9月份進(jìn)入焦魁教授的課題組開(kāi)展科研工作。目前，他的研究方向?yàn)榈蜏刭|(zhì)子交換膜燃料電池的水管理研究，致力于燃料電池流道內(nèi)的兩相流動(dòng)分析。他針對(duì)現(xiàn)有流道設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化分析，并進(jìn)一步提出了新型的波形流道設(shè)計(jì)。
迄今為止，他以第一作者身份發(fā)表SCI論文一篇(InternationalJournalofHydrogenEnergy)，同時(shí)另一篇論文正處于審稿階段。此外，憑借燃料電池流道的新穎設(shè)計(jì)，他正在申請(qǐng)一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。
“我們的課題組科研氛圍十分濃厚，團(tuán)隊(duì)合作非常緊密，在我科研過(guò)程的每個(gè)階段，都非常有幸的得到了團(tuán)隊(duì)成員的鼎力相助與大力支持。”薩姆勒說(shuō)。
薩姆勒興奮地說(shuō)道：“事實(shí)上，在天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，國(guó)際留學(xué)生、教授和課題組成員間有著難以置信的緊密協(xié)作關(guān)系。教授及大多數(shù)中國(guó)學(xué)生的英文水平是十分值得稱(chēng)贊的，這些都使我更加振奮，科研工作的開(kāi)展也更加的順利。這也是我為什么說(shuō)機(jī)械工程學(xué)院是開(kāi)展科研，做出成果的最佳港灣。”同時(shí)他還非常感謝中國(guó)政府的資助及天津大學(xué)提供的良好學(xué)習(xí)氛圍。
通過(guò)在中國(guó)的學(xué)習(xí)，薩姆勒已經(jīng)掌握了許多燃料電池設(shè)計(jì)及編程方面的知識(shí)，他認(rèn)為這些專(zhuān)業(yè)技能無(wú)論是對(duì)現(xiàn)在，還是對(duì)以后的職業(yè)規(guī)劃都大有裨益。盡管學(xué)習(xí)是無(wú)止境的過(guò)程，他希望能在中國(guó)的學(xué)習(xí)歲月中獲益更多。
自2016年起，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院開(kāi)始開(kāi)設(shè)碩士及博士的機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)全英文課程，現(xiàn)已有大約100名國(guó)際留學(xué)生在機(jī)械工程學(xué)院生活學(xué)習(xí)。在教職工、本土學(xué)生及國(guó)際留學(xué)生的共同努力下，國(guó)際研究生已開(kāi)始為機(jī)械工程學(xué)院貢獻(xiàn)科研力量。
