新型氮化物电催化剂有望解决能源危机和环境污染问题
- 2019/12/3 15:12:35 31338
- 来源：仪表网
【仪表网 仪表科普】化石能源的大量使用带来了严重的环境污染和能源危机。可以预见，在不久的将来，人类社会的能源利用方式将从有限的碳基化石能源转换到无尽的可再生能源。燃料电池和金属空气电池在这类能源转换中扮演着重要的角色。
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高; 另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是有发展前途的发电技术。
当前，燃料电池中一直使用的是昂贵的Pt催化剂；据报道，Pt催化剂占到整个燃料电池成本的20%左右，这是导致这类高效能源器件尚未得到大规模使用的重要原因之一。
Pt催化剂的作用机理：
铂由于有很高的化学稳定性和催化活性，因此，应用很广。多用来制造耐腐蚀的化学仪器，如各种反应器皿、蒸发皿、坩埚、电极、铂网等，也用于制造首饰、坩埚、特种容器和标准量具衡具，充当催化剂，与钴合制强磁体。铂耐蚀、耐酸(王水除外)。铂和铂铑合金常用作热电偶，来测定1200~1750℃的温度。在化学工业中常用作催化剂，铂在氢化、脱氢、异构化、环化、脱水、脱卤、氧化、裂解等化学反应中均可作催化剂 。
因此，发展具有高活性和稳定性的低成本电催化材料依然具有极大挑战。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员王家成和中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员杨明辉(共同通讯作者)联合英国爱丁堡大学教授J. Paul Attfield(共同通讯作者)和印度理工学院教授Tiju Thomas发现锆基材料表现出可取代贵金属Pt催化剂的巨大潜力。Pt金属储量非常稀少，价格非常昂贵，高达约300元每克；相比较，Zr金属储量丰富，价格仅为Pt的1/700。
在该研究中，科研人员采用一种温和的urea-glass方法，在更低的温度下制备出了高活性ZrN纳米颗粒，研究表明其具有比肩商用Pt催化剂的活性。此外，ZrN还表现出了比Pt更优异的长期使用稳定性。在实际的锌空气电池测试中，商用Pt催化剂使用一段时间后性能衰减明显；而ZrN催化剂性能衰减要缓慢很多。
氮化锆(Zr-N)化合物随着成份的变化而有多种晶体结构，它们不但具有优异的化学性质，不仅可以用在Josephson结，扩散式迭层，低温度计等，还可以使用在三维集成电线圈，金属基晶体管上。同时这些Zr-N化合物在耐磨、抗氧化和抗腐蚀等方面优于纯锆，而且具有较高的超导临界温度，所以可以有可能成为很好的超导体，具有很高的使用价值。
未来，该研究团队将进一步和产业界合作，努力将该实验室研究成果转换成实际的创新产品，这将有助于清洁能源的大规模使用，并有望为解决能源危机和环境污染问题作出贡献。
资料来源：上海硅酸盐研究所、百度百科
全部评论