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專訪楊喬森教授:燃料電池鉑炭催化劑國產化

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年11月29日  

催化劑是燃料電池關鍵材料之一,對燃料電池性能有著至關重要的影響。當前國產燃料電池鉑炭催化劑整體產業化經驗仍然缺乏,如何提升產品性能、降低成本、提高催化劑工藝制備水平等都是業內十分關心的痛點問題。


值此國內燃料電池催化劑技術攻關的關鍵時期,高工氫電、高工產業研究院將于7月3-4日在上海舉行“2019高工氫電產業高峰論壇”,此次峰會主題為“風口上起舞,刀口上前行”,來自車企、電堆及系統、核心材料、關鍵零部件及設備等產業鏈各個環節的超700位企業負責人將共聚一堂,圍繞產品技術及行業發展趨勢進行深度探討交流。


屆時,國家標準鉑炭催化劑活性試驗方法起草人、西北有色金屬研究院教授楊喬森將在本次峰會的“核心材料/智能裝備助力燃料電池性能提升”專場發表主題演講。


資料顯示,1983年西北有色金屬研究院設立“西北有色金屬研究院催化劑研究所”,開創貴金屬催化劑國產化研究;1992年國內第一個工業化鈀炭催化劑誕生,在岳陽石化得到應用,替代了進口美國鈀炭催化劑;2003年承擔國家十五科技攻關計劃(863)項目“炭載納米鉑炭催化劑研究”;2005年國內第一個工業化化工用鉑炭催化劑誕生,在山東蘭德廠得到應用,替代了日本鉑炭催化劑;2011年設立“陜西省貴金屬催化劑工程研究中心”;2017“鉑炭催化劑活性試驗方法”等4個國家標準正式發布;2018年設立功能材料“貴金屬催化劑國家與地方聯合研究中心”。


由于長期以來催化劑生產處于“技藝”階段,加之鉑炭催化劑工藝技術的保密,所以催化劑活性組分和載體的選擇主要依據前人的經驗和大量的試驗來決定。西北有色金屬研究院依托長達30年的技術積累和國內成熟的技術平臺,正為推動國產鉑炭催化劑發展貢獻一份力量。


在本次峰會開啟前,高工氫電特別專訪楊喬森教授,深入了解燃料電池鉑炭催化劑的國產化進程。楊喬森教授本人在國內貴金屬催化劑領域深耕18余年,對貴金屬催化劑有深刻的理解和實際工作經驗,解決了若干關鍵難題,參與了2003年“863”項目《鉑炭催化劑的國產化研究》,該項目獲得部級、省級和市級二等級各一次,5個貴金屬催化劑國家標準的制訂,4個發明專利,6篇論文。他對于燃料電池鉑炭催化劑有哪些真知灼見?


高工氫電:請介紹西北有色金屬研究院燃料電池催化劑研究及產業化進展。


楊喬森:西北有色金屬研究院是國內最早從事炭載貴金屬催化劑研究與生產的單位,已從事炭載貴金屬催化劑的研發與生產、催化工藝的設計開發、廢催化劑的回收再加工等業務30余年,該院氫燃料電池鉑炭催化劑開展了制備工藝量產技術攻關,在對傳統催化劑長期研究積累的基礎上,使得氫燃料電池鉑炭催化劑產業化生產難題成功攻克,該院氫燃料電池催化劑的產能若有需求可以生產超過1000克/天,燃料電池鉑炭催化劑產品正在幾家膜電極生產廠家進行驗證測試評價,有望大規模生產,替代進口鉑炭催化劑。


高工氫電:燃料電池鉑炭催化劑制備研究的難點和重點是什么?


楊喬森:目前實際應用的燃料電池炭載鉑催化劑,鉑擔載量一般高達20%以上,較通常的化工用擔載型催化劑(鉑擔載量低于5%)的制備難度要大很多,國內目前尚處于研發測試評價階段,未形成生產能力,產品主要依賴進口。


燃料電池炭載鉑催化劑中鉑納米顆粒粒度、粒度分布及雜質含量對催化劑的電催化性能和運行穩定性有很大的影響。當催化劑中金屬Pt粒子的粒度在2——5nm、粒子粒度分布窄、在炭上分散均勻,催化劑中有害雜質(如Cl)含量少時,催化劑具有較好的活性和穩定性。炭載鉑催化劑中Pt金屬粒子的粒度、粒度分布及雜質含量的控制是制備研究的難點和重點。


工氫電:在研發燃料池催化劑過程中,西北有色金屬研究院碰到的最大困難是什么,又是如何克服的?


楊喬森:催化劑除了可以加速化學反應進行(即活性)外,還可以使反應向生成某一特定產物的方向進行,這就是催化劑的選擇性。不同的客戶對催化劑要求不一樣,所以開發催化劑就要“一戶一系,一廠一方”量身定制,這就給我們催化劑制備帶來很大困難,目前我們催化劑評價方法就有100多種體系,開發催化劑配方需要花費大量的人力、物力。


高工氫電:當前燃料電池催化劑依賴進口,請問國內外差距在哪?


楊喬森:國內實現燃料電池鉑炭催化劑已經開始量產,但距離國際先進水平仍有差距。本田Clarity催化劑Pt含量降至0.12g/kW,豐田Mirai燃料電池催化劑Pt含量達到0.175g/kW,而我國的鉑用量大概在0.3——0.4g/kW。


國內鉑炭催化劑活性距離國際先進水平還是有差距的。鉑炭催化劑國際生產商有四大巨頭,分別是英國的莊信萬豐、日本的田中、德國的巴斯夫、德國的德固賽。目前我們單位所有的鉑炭催化劑中,唯一一個沒有替代就是氫能燃料電池鉑炭催化劑,我們原來在這方面沒有重視,如果把燃料電池催化劑替代的話,我們就把國外所有進口的鉑炭催化劑都替代了。


高工氫電:鉑載量降低將呈怎樣的趨勢?未來非鉑催化劑有無可能?


楊喬森:未來燃料電池催化劑發展的主要有三個方向:一是高活性、低鉑量催化劑的研究,這是我們目前的研究方向,研究鉑貴金屬利用率的最大化,節約鉑貴金屬用量,降低催化劑成本,具有非常重要的實際應用價值。


二是Pt-M合金催化劑,Pt-M催化劑是Pt與過渡金屬形成的合金催化劑,通過過渡金屬催化劑對Pt的電子與幾何效應,在提高穩定性的同時,質量比活性也有所提高;同時,降低了貴金屬的用量,使催化劑成本也得到大幅度降低。如Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化劑,展示出了較好的活性與穩定性。


針對Pt-M催化劑,需要解決燃料電池工況下過渡金屬的溶解問題,金屬溶解不但降低了催化劑活性,還會產生由于金屬離子引起的膜降解問題。因此,提高Pt-M催化劑的穩定性問題還需要進一步研究。


三是非貴金屬催化劑,非貴金屬催化劑的研究主要包括過渡金屬原子簇合物、過渡金屬螯合物、過渡金屬氮化物與碳化物等。在這方面,各種雜原子摻雜的納米碳材料成為研究熱點,如N摻雜的非貴金屬催化劑與鉑炭相比活性偏低。目前非貴金屬催化劑實驗結果距離工業化還有很長的路,當前迫切需求制備低含量、高利用率的鉑貴金屬催化劑。


高工氫電:燃料電池行業發展是否過熱?請您預判燃料電池催化劑發展趨勢,及應對策略。


楊喬森:氫燃料電池是零排放的終極解決方案,關注度持續攀升,相關燃料電池會議組織熱度高漲,確實熱過頭了。新興產業的發展不可能一蹴而就,產業化推進要循序漸進,讓技術和產品逐漸成熟,培育好產業鏈,構建好基礎設施,才能逐步實現氫燃料汽車真正意義上的市場化。若想實現商業化,必須先解決氫氣的純度和加氫站建設等一系列問題。


燃料電池技術所需要的氫純度要求非常高,其中一氧化碳的濃度要保持10的負6次方以下,否則會讓鉑炭催化劑中毒。工業副產的氫氣提純難度大,電解水制氫純度高,但成本是煤炭天然氣制氫的2-3倍。所以,對氫燃料電池的產業化要作長遠打算,切切實實地解決關鍵材料和關鍵科學技術問題。


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