氢听剧场：邹裕民——铂合金催化剂的制备和研究

首席技术官

CTO

上海济平新能源科技有限公司

Shanghai Jiping New Energy Techonology Co., Ltd

邹裕民

Yu-Min Tsou

铂合金催化剂的制备和研究

Preparation and Study of Platinum Alloy Catalysts

主持人：接下来有请上海济平新能源科技有限公司首席技术官邹裕民，邹裕民博士是美国加州立功学院化学博士，在欧美电化学/能源产业有近30年工作经验，其中16年在燃料电池领域，研发多相产品并应用于世界许多工厂中。包括多相电化学催化剂，用于氢、重整气、甲醛等燃料电池与氢碱及盐酸水溶液电解，以及过氧化氢电合成，催化剂组成涵盖所有铂族贵金属，许多为首创，拥有美国世界专利。这些产品还包括气体扩散层及气体扩散电极，与膜电极、产品性能多为世界一流；从业期间总生产催化剂数百公斤，气体扩散层、电极超过一万平米。他拥有丰富量产经验，亲身参与将众多研发成果加大规模至生产线。他与欧美重要相关公司，如陶氏化学，E-TEK，PEMEAS USA，巴斯夫燃料电池，历任研发管理职务，至首席科学家、研发副总裁。2016年他来中国适合中国产业结构之燃料电池零部件，主要是催化剂及气体扩散层。2018年加入上海济平新能源科技公司为首席技术官，实行量产零部件供应给下游电堆和整车厂家，他演讲的题目是《铂合金催化剂的制备和研究》。

    邹裕民：各位嘉宾、各位专家、今天要讲的题目是铂合金催化剂。

    今天讲铂合金催化剂的制备和研究，首先我说一下，目前中国燃料电池界有一个很重要的挑战或者说问题，就是说大部分用的是进口的原材料，这就造成了极高的成本，而且我们跟客户之间也有供货期不定，所以造成了很多的困扰，据报道，70%是用国外的，不过我跟客户谈的结果是超过了80%到90%，这个造成了很高的成本，目前燃料电池界这个成本太高了，我们济平在2018年就是想帮助我们下游的产业来解决这个重要的问题，让燃料电池这个产业在中国可以深耕。

    催化剂是燃料电池动力的重心所在，尤其在阴极上要还原氧气，因为这个反应比较慢，如果没有铂或铂合金的话这个产业是没有办法存在的，这就表示了它的重要性。在过去两三年的发展中，燃料电池界这个领头有丰田，MEA被美国能源部分析发现它阴极是用的铂钴的催化剂，如果在阴极方面不用铂钴或者别的铂合金催化剂的话，还是没有办法跟丰田比，这个信息出来，尤其是中国要发展铂钴阴极催化剂就变得非常的迫切。所以我们最近也是跟很多下游的企业谈过，他们想走向铂钴，我想这个题目今天就非常恰当跟大家分享一下，看看铂钴到底是怎么样的一个催化剂，我们目前能做出什么样的产品。

    市场上合成的挑战我们要从铂催化剂说起，因为铂催化剂的粒子非常小，表面积非常大，当做这么的表面积的时候，它团聚的倾向性比较高，合成的时候一定要有方法，要阻止小粒子团聚的倾向，否则失去表面积的话性能就会下降很多，比方说粒子从一个纳米变成了一个微米，增加了1000倍，总表面积是会降低1000倍的，这个是非常重要的事情。我们要用纳米材料学和铂，铂的化学跟其他的过渡金属不一样，有胶体化学和表面性化学等等，同时我们还要有合金的技术和材料热力学。

    我刚才已经说了铂的化学性和第一行过渡金属不同，比如说把氯化镍放在水里面马上分析成镍，可是铂这种金属氯化物放在水里面是不会分解的，所以化学性是不一样的，要把铂估和铂镍因为化学性不同做在一起会造成困难，铂氧化电位很高，很容易被氧化，要把这两种做成合金是充满困难的事。

    我们说一下为什么要用铂钴或者铂镍，这个跟电化学催化剂还是不一样的，在还原氧气的过程中会产生自由基OH吸附在铂的上面，如果OH不能除掉的话，这个循环就不能继续下去，反应就会变慢，当你加上钴以后，就会使得它OH的吸附力降低，一旦降低了，你就不会停在这个上面，就会继续下去，就还原成铂，铂就继续反应，所以这个是原理，这个有理论和实际，比如说右边图的黑线和红线，红线是旋转电机的数据，黑线是DFT计算出来的，根本意义就是在铂的附近它的吸附力比较强，所以你的控制速率要达到OH，可是到左边这个是另外一步，就是氧气要附在上面变得比较困难，可以看到中间的铂钴和铂镍是最好的点，是刚刚好。

    这个是一般的说法，现在我们的看法认为要复杂一点，其实在任何电压下，铂不是每一个铂的原子都附在OH，只是差不多一半，有50%是附了，另外一半是吸附了氧气，不是说把所有的OH除了才开始还原氧气。当OH吸附在铂上面，它会影响到没有吸附OH的铂，使电解密度降低，它跟氧气的结合力就差了，我们目前认为铂有困难的原因。但加了铂钴之后，钴会把电子密度再投在没有吸附OH的铂上，这样电解密度足够可以跟氧气去接触，造成了铂钴和铂镍比铂好的原因，这个我认为是比较重要的原理。这是我第一次分享这样的看法，这样来看的话，现在一般这种说法认为让人非常迷惑，不知道它真正原理，我认为这个是它真正的原理。

    我们济平做铂合金的时候注意要形成很好的合金，我们把铂钴和铂镍用不同的投料比经过我们的方法，看它到底组成是多少，在左边的图是铂镍的，右边是铂钴的，投料比跟你实际得到的催化剂如果是很理想是1，但是我们有差不多2%到9%的误差，是非常线性的，这个方法是没有问题的，造成钴比较高的原因是钴跟铂不是同一列，这个讲法稍微不一样，我们可以在方法上面上做的投料比跟最后做的是差不多。

    现在看看性能，首先是上面我们做的比质量活性和比面积活性，你在这个方面很有研究的话，你会发现我们的比质量活性和比面积活性是相当高的，这个是我们研究出来其实铂钴要做的好还是有很多地方注意，尤其在量产上面，我们可以做这么高的话，我们的铂钴也可以做到0.281的比质量活性，我们在中国市场上只有一种，就是亚洲厂家所卖的铂钴，我们发现它的MA稍微低一点，可以你可以注意到在SA，每一个平方厘米的活性上，铂钴和下面两个是比铂高的，你的确是合成的合金，他们的问题有团聚的现象，它还是一个合金，差不多至少是你在SA方面，每平方厘米的催化剂表面的活性是比较高的。

    我拿来分析了一下说为什么会有这种现象呢？这个是XRD的图，济平的铂钴我们超过了26%，亚洲的厂家是超过了40%，最重要的是我用箭头指的这个地方，这个地方一般是氧化物在的地方，一般代表你有相当量的氧化钴，这个氧化钴说明这个钴没有和铂产生合金，这个合金有分项的，一旦有这个铂钴就失去了它的效率，只有那部分跟铂合金的才是有用的，这也是一个原因，为什么我们拿到亚洲厂家的性能不是很好的原因，就是因为它有氧化钴的原因，是因为它有分项的。

    可以看看我们的循环伏安，看到这个是已经在经过差不多40分钟，半个小时把它稳定下来，可以看到两个，红线是亚洲厂家的铂钴，可以看到很明显它的面积比较小，代表催化剂表面积是比较小的。还有从左边来看，这个是100面清晰度的峰，它这个峰稍微高了一点，对于合金来讲是没有和钴合金，是单独的铂才会这样，所以亚洲厂家的催化剂没有跟合金在一起单独的钴和单独的铂，所有造成它的的性能不高，这个是很重要的原因，我们分析的结果就是这样。

    谢谢大家。