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本文目录一览：

• 1、质子交换膜燃料电池系统有哪几个部分构成,各部分的作用是什么？
• 2、什么是贵金属催化剂
• 3、为什么判断析氢反应催化剂性能好坏的标准，是氢原子吸附的自由能是否趋近于0
• 4、韩国研发低成本耐腐蚀催化剂 可降低电解水制氢的成本
• 5、电催化析氢反应，氢原子在金属表面吸附时的位点分为top,bridge,hollow,这三个位点的定义是什么啊？

质子交换膜燃料电池系统有哪几个部分构成,各部分的作用是什么？

①质子交换膜  质子交换膜(PEM)是质子交换膜燃料电池的核心部件，是一种厚度仅为50～180um的薄膜片，其微观结构非常复杂。它为质子传递提供通道，同时作为隔膜将阳极的燃料与阴极的氧化剂隔开，其性能好坏直接影响电池的性能和寿命。它与一般化学电源中使用的隔膜有很大不同，它不只是一种隔离阴阳极反应气体的隔膜材料，还是电解质和电极活性物质（电催化剂）的基底，即兼有隔膜和电解质的作用；另外，PEM还是一种选择透过性膜，在一定的温度和湿度条件下具有可选择的透过性，在质子交换膜的高分子结构中，含有多种离子基团，它只容许氢离子（氢质子）透过，而不容许氢分子及其他离子透过。

亚南膜电极参与了国家863计划《燃料电池应急备用电源中试规模的制造及运行》项目的研究开发，项目于2016年顺利通过国家科技部验收，

(a) PEMFC的基本结构

(b)质子交换膜燃料电池组的外观

图1 质子交换膜燃料电池的基本结构

质子交换膜燃料电池对于质子交换膜的要求非常高，质子交换膜必须具有良好的质子电导率、良好的热和化学稳定性、较低的气体渗透率，还要有适度的含水率，对电池工作过程中的氧化、还原和水解具有稳定性，并同时具有足够高的机械强度和结构强度，以及膜表面适合与催化剂结合的性能。

质子交换膜的物理、化学性质对燃料电池的性能具有极大的影响，对性能造成影响的质子交换膜的物理性质主要有：膜的厚度和单位面积质量、膜的抗拉强度、膜的含水率和膜的溶胀度。质子交换膜的电化学性质主要表现在膜的导电性能（电阻率、面电阻，电导率）和选择通过性能（透过性参数P）上。

a．膜的厚度和单位面积质量。膜的厚度和单位面积质量越低，膜的电阻越小，电池的工作电压和能量密度越大；但是如果厚度过低，会影响膜的抗控强度，甚至引起氢气的泄漏而导致电池的失效。

b．膜的抗拉强度。膜的抗拉强度与膜的厚度成正比，也与环境有关，通常在保证膜的抗拉强度的前提下，应尽量减小膜的厚度。

c．膜的含水率。每克干膜的含水量称为膜的含水率，可用百分数表示。含水率对膜电解质的质子传递能力影响很大，还会影响到氧在膜中的溶解扩散。含水率越高，质子扩散因子和渗透率也越大，膜电阻随之下降，但同时膜的强度也有所下降。

d．膜的溶胀度。膜的溶胀度是指离子膜在给定的溶液中浸泡后，离子膜的面积或体积变化的百分率，即浸液后的体积（面积）和干膜的体积（面积）的差值与干膜的体积（面积）的百分比。膜的溶胀度表示反应中膜的变形程度。溶胀度高，在水合和脱水时会由于膜的溶胀而造成电极的变形和质子交换膜局部应力的增大，从而造成电池性能的下降。

质子交换膜燃料电池曾采用酚醛树脂磺酸型膜、聚苯乙烯磺酸型膜、聚三氟苯乙烯磺酸型膜和全氟磺酸型膜。研究表明，全氟磺酸型膜最适合作为质子交换膜燃料电池的固体电解质。虽然全氟磺酸膜具有良好的性能，但由于膜的结构、工艺和生产批量等问题的存在，到目前为止，质子交换膜的成本还非常高，因此需要寻找高性能低成本的替代膜。一个选择是使用全氟磺酸材料与聚四氟乙烯(PTFE)的复合膜，其中PTFE是起强化作用的微孔介质，而全氟磺酸材料则在微孔中形成质子传递通道。这种复合膜能够改善膜的机械强度和稳定性，而且膜可以做得很薄，减少了全氟磺酸材料的用量，降低了膜的成本，同时较薄的膜还改善了膜中水的分布，提高了膜的质子传导性能。另一个选择是寻找新的低氟或非氟膜材料。此外，还可以采用无机酸与树脂的共混膜，不仅可以提高膜的电导率，还可以提高膜的工作温度。

②电催化剂  催化剂是质子交换膜燃料电池中的关键性技术焦点所在。为了加快电化学反应速度，气体扩散电极上都含有一定量的催化剂。由于燃料电池的低运行温度，以及电解质酸性的本质，故应用的催化剂层需要贵金属。PEMFC电催化剂按作用部位可分为阴极催化剂和阳极催化剂两类。质子交换膜燃料电池的阳极反应为氢的氧化反应，阴极为氧的还原反应。因氧的催化还原作用比氢的催化氧化作用更为困难，所以阴极是最关键的电极。

对催化剂的要求是足够的催化活性和稳定性，阳极催化剂还应具有抗CO中毒的能力，对于使用烃类燃料重整的质子交换膜燃料电池系统，阳极催化剂系统尤其应注意这个问题。PEMFC电催化剂按照使用金属可分为铂系和非铂系电催化剂两类。由于质子交换膜燃料电池的工作温度低于100℃，目前只有贵金属催化剂对氢气氧化和氧气还原反应表现出了足够的催化活性．现在所用的最有效催化剂是铂或铂合金催化剂，它对氢气氧化和氧气还原都具有非常好的催化能力，且可以长期稳定工作。由于这种电池是在低温条件下工作的，因此，提高催化剂的活性，防止电极催化剂中毒很重要。

以铂或铂合金作为催化剂的主要问题是成本太高，由于Pt的价格高、资源匮乏，使得质子交换膜燃料电池的成本居高不下，限制了大规模的应用，需要进一步降低铂的载量。一种方法是寻找新的价格较低的非铂，非贵金属催化剂；另一种方法是改进电极结构，有效利用铂催化剂，提高Pt的利用率，减少单位面积的使用量。

以铂或铂合金作为催化剂的另一个主要问题是其毒化问题。铂催化剂因极富活性而提供了优异的性能。该催化剂对一氧化碳和硫的生成物与氧相比有较高的亲和力，这种毒化效应强烈地制约了催化剂的高度活性，并阻碍了扩展到其中的氢或氧．使得电极反应不能发生，燃料电池性能递减。若氢由重整装置提供，则气流中将含有一些一氧化碳，或吸入的空气因来自被污染城市而含有一氧化碳，这都会造成毒化问题的产生。由一氧化碳引起的毒化是可逆的，但它增加了成本，且各个燃料电池需要单独处理。

③电极  质子交换膜燃料电池的电极是一种典型的多孔气体扩散电极，一般由气体扩散层和催化层构成。扩散层是导电材料制成的多孔合成物，起着支撑催化层、收集电流的作用，并为电化学反应提供电子通道、气体通道和排水通道。催化层是进行电化学反应的区域，是电极的核心部分，其内部结构粗糙多孔，有足够的表面积以促进氢气和氧气的电化学反应。电极制作的好坏对电池的性能有重要影响。

扩散层一般以多孔炭纸或炭布为基底，并经聚四氟乙烯(PTFE)和炭黑处理后构成的，厚度约为0.2～0.3mm。在扩散层中，被PTFE覆盖的大孔是憎水孔，未被PTFE覆盖的小孔是亲水孔。反应气体通过憎水孔传递，而产物水则通过亲水孔排出。制备扩散层的关键是如何实现憎水孔和亲水孔的合理分布。一个好的气体扩散电极应同时具备适度的亲水性和憎水性，以保证催化剂发生作用的最佳湿化环境，同时让反应生成的水及时排除，以免电极被淹。

催化层可以分为常规憎水催化层、薄层亲水催化层和超薄催化层。早期的催化层是常规的憎水催化层，厚度超过50um，主要是将铂黑或碳载铂催化剂和PTFE微粒混合后，经丝网印刷、涂布和喷涂等方法涂覆到扩散层上并经热处理制得．催化层中的PTFE提供了气体扩散通道，而催化剂则为电子和水的传递提供了通道。但是这种催化层质子传导能力较差，性能不高。后来，为了改进这种催化层的质子传导能力并增加催化剂、反应气体和质子交换膜三相界面的面积，又研制了薄层亲水催化层和超薄催化层。

什么是贵金属催化剂

贵金属催化剂已经有很长的历史了，它的工业应用可以追溯到19世纪的70年代，以铂为催化剂的接触法制造硫酸的工业。1913年，铂网催化剂用于氨氧化制硝酸；1937年Ag/Al2O3催化剂用于乙烯氧化制环氧乙烷；1949年，Pt/Al2O3催化剂用于石油重整生产高品质汽油；1959年，PdCl2-CuCl2催化剂用于乙烯氧化制乙醛；到上世纪60年代末，又出现了甲醇低压羰基合成醋酸用铑络合物催化剂。从上世纪70年代起，汽车排气净化用贵金属催化剂（以铂为主，辅以钯、铑）大量推广应用，并很快发展为用量最大的贵金属催化剂。 贵金属催化剂的英文名称是precious metal catalyst，它主要是以铂族金属（Platinum Group Metal ）为主的铂（Pt）、钯（Pd）、钌（Ru）、铑（Rh）、铱（Ir）、锇（Os）等为催化活性组分的载体类非均相催化剂和铂族金属无机化合物或有机金属配合物组成的各类均相催化剂。铂族金属由于其d电子轨道都未填满，表面易吸附反应物，且强度适中，利于形成中间“活性化合物”，具有较高的催化活性，同时还具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良特性，成为最重要的催化剂材料。 按催化剂的主要活性金属分类，常用的有：铂催化剂、钯催化剂和铑催化剂、钌催化剂等。贵金属催化剂由于其无可替代的催化活性和选择性，在石油、化工、医药、农药、食品、环保、能源、电子等领域中占有极其重要的地位。在石油和化学工业中的氢化还原、氧化脱氢、催化重整、氢化裂解、加氢脱硫、还原胺化、调聚、偶联、歧化、扩环、环化、羰基化、甲酰化、脱氯以及不对称合成等反应中，贵金属均是优良的催化剂。 在环保领域贵金属催化剂被广泛应用于汽车尾气净化、有机物催化燃烧、CO、NO氧化等。在新能源方面，贵金属催化剂是新型燃料电池开发中最关键的部分。 在电子、化工等领域贵金属催化剂被用于气体净化、提纯。催化技术是当今高新技术之一，也是能产生巨大经济效益和社会效益的技术。发达国家国民经济总产值的20%~30%直接来自催化剂和催化反应。化工产品生产过程中85%以上的反应都是在催化剂作用下进行的。 据分析表明，世界上70%的铑、40%的铂和50%的钯都应用于催化剂的制备。 我相信，在不久的未来贵金属催化剂在化学新领域的研究和开发中会有着越来越广泛的应用前景。

为什么判断析氢反应催化剂性能好坏的标准，是氢原子吸附的自由能是否趋近于0

判断析氢反应催化剂性能好坏的标准

催化剂通常能使电解水的活化能大大降低，从而降低电解水的过电势。催化剂的优劣决定了电解水所需要的总电压以及电能转换为氢能的转化效率。比如，两根石墨电极组成的电解池通常需要大于2 V的电压才能产生氢气和氧气，因为石墨不是理想的催化剂，而两片不锈钢电极组成的电解池需要大约1.6-1.8V的电压就能产生氢气和氧气。研究新型的催化剂来增加能量转换效率是能源领域十分受关注的焦点。

在酸性环境中，铂是析氢反应的催化剂，几乎没有任何过电势以及非常小的塔菲尔斜率(电流增加10倍所需要的额外电压)，是几乎理想化的催化剂，但是由于铂贵金属资源稀缺，科学家正在寻找一些廉价催化剂(过渡金属硫化物，碳化物以及磷化物)。氧化铱是析氧反应的催化剂，但是同样依赖于稀缺资源，同时由于高电位以及酸性环境，极少物质能能同时展现析氧反应催化活性和稳定性，所以目前为止还没有找到氧化铱的替代品。

在碱性环境中，铂和氧化铱依然是很好的催化剂，但是由于氧化物和氢氧化物在碱性环境的稳定性，能有更多低原子数过渡金属化物的选择。比如，镍基合金展现出了优良的析氢反应的催化活性和稳定性，镍铁基复合材料和一些钙钛矿材料展现出了优良的析氧反应的催化活性。

韩国研发低成本耐腐蚀催化剂 可降低电解水制氢的成本

盖世汽车讯 推动以氢燃料汽车为代表的氢经济发展的关键是以低成本生产可以发电的氢气。制氢的方法有很多，如捕获副产品氢气、重组化石燃料获取氢气以及电解水制氢。其中，电解水制氢的方法是一种环保的方法，但是其中催化剂的使用是决定其效率和价格竞争力最重要的因素。因为，电解水装置需要使用铂（Pt）催化剂，以加速产氢反应以及提升耐用性。不过，虽然该催化剂的性能很好，但其成本很高，在价格方面不如其他制氢方法有竞争力。

（图片来源：韩国科学技术研究院）

根据电解质在水中的溶解状况，电解水装置也会不同。例如，采用质子交换膜（PEM）的装置，即使采用过渡金属制成的催化剂，而不是昂贵的铂基催化剂，也能够实现高速率的产氢反应。因此，有很多研究都专注于将该技术实现商业化。不过，虽然此类研究专注于实现高反应活性，但是提高此类易在电化学环境中腐蚀的过渡金属耐久性的研究却被忽视了。

据外媒报道，韩国科学技术研究院（KIST）的一个研究小组研发了一种催化剂，由具备长期耐久性的过渡金属制成，可以提高制氢效率，而且还通过克服非铂催化剂的耐久性问题，无需使用到铂。

该研究小组利用喷雾热解工艺，将少量钛（Ti）注入到低成本过渡金属磷化钼（MoP）中。由于钼价格低廉，且易于处理，因而常被用作能量转换和储能设备的催化剂，但是其弱点是容易被氧化，进而腐蚀。

研究人员发现，在催化剂合成过程中，每种材料的电子结构完全得以重构，最终实现了与铂催化剂相同的析氧反应（HER）活性。电子结构的改变解决了高腐蚀性的问题，因此该催化剂比现有的过渡金属基催化剂的耐久性提高了26倍，可加速实现非铂催化剂的商业化。

本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

电催化析氢反应，氢原子在金属表面吸附时的位点分为top,bridge,hollow,这三个位点的定义是什么啊？

电催化剂析氢反应的简写是HER。是指通过电化学的方法使用催化剂产生氢气。能源和环境是人类社会可持续发展涉及的最主要问题。全球80%的能量需求来源于化石燃料，这最终必将导致化石燃料的枯竭，而其使用也将导致严重的环境污染。从化石燃料逐步转向利用可持续发展无污染的非化石能源是发展的必然趋势。氢是理想的清洁能源之一也是重要的化工原料，受到世界各国广泛的重视。电解水制氢是实现工业化、廉价制备氢气的重要手段。

对于析氢电催化反应，最早进行这方面探索的人是Kita，他曾把过渡金属电极材料的析氢反应交换电流密度I与电极材料元素的原子序数联系起来，发现各种金属的lgI值基本上是原子序数的周期函数。Engel Brewer价键理论指出，d轨道未充满或半充满的过渡系左边的金属(如Fe、Co、Ni)同具有成对的但在纯金属中不适合成健的d电子的过渡系右边的金属(如W、Mo、La、Ha、Zr)熔成合金时，对析氢反应产生非常明显的电催化协同作用。

过渡金属具有未成对的d电子和未充满的d轨道，具有良好的催化活性；电催化反应的速度取决于吸附作用的能量；金属晶格能影响析氢电催化活性。这对析氢电催化剂的选择和设计具有重要的指导意义 [2] 。