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【原创】专访杨乔森教授:燃料电池铂炭催化剂国产化
文章来源自:高工锂电网
2019-06-15 17:24:34 阅读:1765
摘要国家标准铂炭催化剂活性试验方法起草人、西北有色金属研究院教授杨乔森将在本次峰会的“核心材料/智能装备助力燃料电池性能提升”专场发表主题演讲。

催化剂是燃料电池关键材料之一,对燃料电池性能有着至关重要的影响。当前国产燃料电池铂炭催化剂整体产业化经验仍然缺乏,如何提升产品性能、降低成本、提高催化剂工艺制备水平等都是业内十分关心的痛点问题。

值此国内燃料电池催化剂技术攻关的关键时期,高工氢电、高工产业研究院将于7月3-4日在上海举行“2019高工氢电产业高峰论坛”,此次峰会主题为“风口上起舞,刀口上前行”,来自车企、电堆及系统、核心材料、关键零部件及设备等产业链各个环节的超700位企业负责人将共聚一堂,围绕产品技术及行业发展趋势进行深度探讨交流。

届时,国家标准铂炭催化剂活性试验方法起草人、西北有色金属研究院教授杨乔森将在本次峰会的“核心材料/智能装备助力燃料电池性能提升”专场发表主题演讲。

资料显示,1983年西北有色金属研究院设立“西北有色金属研究院催化剂研究所”,开创贵金属催化剂国产化研究;1992年国内第一个工业化钯炭催化剂诞生,在岳阳石化得到应用,替代了进口美国钯炭催化剂;2003年承担国家十五科技攻关计划(863)项目“炭载纳米铂炭催化剂研究”;2005年国内第一个工业化化工用铂炭催化剂诞生,在山东兰德厂得到应用,替代了日本铂炭催化剂;2011年设立“陕西省贵金属催化剂工程研究中心”;2017“铂炭催化剂活性试验方法”等4个国家标准正式发布;2018年设立功能材料“贵金属催化剂国家与地方联合研究中心”。

由于长期以来催化剂生产处于“技艺”阶段,加之铂炭催化剂工艺技术的保密,所以催化剂活性组分和载体的选择主要依据前人的经验和大量的试验来决定。西北有色金属研究院依托长达30年的技术积累和国内成熟的技术平台,正为推动国产铂炭催化剂发展贡献一份力量。

在本次峰会开启前,高工氢电特别专访杨乔森教授,深入了解燃料电池铂炭催化剂的国产化进程。杨乔森教授本人在国内贵金属催化剂领域深耕18余年,对贵金属催化剂有深刻的理解和实际工作经验,解决了若干关键难题,参与了2003年“863”项目《铂炭催化剂的国产化研究》,该项目获得部级、省级和市级二等级各一次,5个贵金属催化剂国家标准的制订,4个发明专利,6篇论文。他对于燃料电池铂炭催化剂有哪些真知灼见?

高工氢电:请介绍西北有色金属研究院燃料电池催化剂研究及产业化进展。

杨乔森:西北有色金属研究院是国内最早从事炭载贵金属催化剂研究与生产的单位,已从事炭载贵金属催化剂的研发与生产、催化工艺的设计开发、废催化剂的回收再加工等业务30余年,该院氢燃料电池铂炭催化剂开展了制备工艺量产技术攻关,在对传统催化剂长期研究积累的基础上,使得氢燃料电池铂炭催化剂产业化生产难题成功攻克,该院氢燃料电池催化剂的产能若有需求可以生产超过1000克/天,燃料电池铂炭催化剂产品正在几家膜电极生产厂家进行验证测试评价,有望大规模生产,替代进口铂炭催化剂。

高工氢电:燃料电池铂炭催化剂制备研究的难点和重点是什么?

杨乔森:目前实际应用的燃料电池炭载铂催化剂,铂担载量一般高达20% 以上,较通常的化工用担载型催化剂( 铂担载量低于5%) 的制备难度要大很多, 国内目前尚处于研发测试评价阶段,未形成生产能力,产品主要依赖进口。

燃料电池炭载铂催化剂中铂纳米颗粒粒度、粒度分布及杂质含量对催化剂的电催化性能和运行稳定性有很大的影响。当催化剂中金属Pt 粒子的粒度在2 ——5nm、粒子粒度分布窄、在炭上分散均匀,催化剂中有害杂质( 如Cl) 含量少时,催化剂具有较好的活性和稳定性。炭载铂催化剂中Pt 金属粒子的粒度、粒度分布及杂质含量的控制是制备研究的难点和重点。

工氢电:在研发燃料池催化剂过程中,西北有色金属研究院碰到的最大困难是什么,又是如何克服的?

杨乔森:催化剂除了可以加速化学反应进行(即活性)外,还可以使反应向生成某一特定产物的方向进行,这就是催化剂的选择性。不同的客户对催化剂要求不一样,所以开发催化剂就要“一户一系,一厂一方”量身定制,这就给我们催化剂制备带来很大困难,目前我们催化剂评价方法就有100多种体系,开发催化剂配方需要花费大量的人力、物力。

高工氢电:当前燃料电池催化剂依赖进口,请问国内外差距在哪?

杨乔森:国内实现燃料电池铂炭催化剂已经开始量产,但距离国际先进水平仍有差距。本田Clarity催化剂Pt含量降至0.12g/kW,丰田Mirai燃料电池催化剂Pt含量达到0.175g/kW,而我国的铂用量大概在0.3——0.4g/kW。

国内铂炭催化剂活性距离国际先进水平还是有差距的。铂炭催化剂国际生产商有四大巨头,分别是英国的庄信万丰、日本的田中、德国的巴斯夫、德国的德固赛。目前我们单位所有的铂炭催化剂中,唯一一个没有替代就是氢能燃料电池铂炭催化剂,我们原来在这方面没有重视,如果把燃料电池催化剂替代的话,我们就把国外所有进口的铂炭催化剂都替代了。

高工氢电:铂载量降低将呈怎样的趋势?未来非铂催化剂有无可能?

杨乔森:未来燃料电池催化剂发展的主要有三个方向:一是高活性、低铂量催化剂的研究,这是我们目前的研究方向,研究铂贵金属利用率的最大化,节约铂贵金属用量,降低催化剂成本,具有非常重要的实际应用价值。

二是Pt-M合金催化剂,Pt-M催化剂是Pt与过渡金属形成的合金催化剂,通过过渡金属催化剂对Pt的电子与几何效应,在提高稳定性的同时,质量比活性也有所提高;同时,降低了贵金属的用量,使催化剂成本也得到大幅度降低。如Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化剂,展示出了较好的活性与稳定性。

针对Pt-M催化剂,需要解决燃料电池工况下过渡金属的溶解问题,金属溶解不但降低了催化剂活性,还会产生由于金属离子引起的膜降解问题。因此,提高 Pt-M 催化剂的稳定性问题还需要进一步研究。

三是非贵金属催化剂,非贵金属催化剂的研究主要包括过渡金属原子簇合物、过渡金属螯合物、过渡金属氮化物与碳化物等。在这方面,各种杂原子掺杂的纳米碳材料成为研究热点,如N掺杂的非贵金属催化剂与铂炭相比活性偏低。目前非贵金属催化剂实验结果距离工业化还有很长的路,当前迫切需求制备低含量、高利用率的铂贵金属催化剂。

高工氢电:燃料电池行业发展是否过热?请您预判燃料电池催化剂发展趋势,及应对策略。

杨乔森:氢燃料电池是零排放的终极解决方案,关注度持续攀升,相关燃料电池会议组织热度高涨,确实热过头了。新兴产业的发展不可能一蹴而就,产业化推进要循序渐进,让技术和产品逐渐成熟,培育好产业链,构建好基础设施,才能逐步实现氢燃料汽车真正意义上的市场化。若想实现商业化,必须先解决氢气的纯度和加氢站建设等一系列问题。

燃料电池技术所需要的氢纯度要求非常高,其中一氧化碳的浓度要保持10的负6次方以下,否则会让铂炭催化剂中毒。工业副产的氢气提纯难度大,电解水制氢纯度高,但成本是煤炭天然气制氢的2-3倍。所以,对氢燃料电池的产业化要作长远打算,切切实实地解决关键材料和关键科学技术问题。

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