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廣州超算神助攻！港科大研發(fā)全球最耐久氫燃料電池
時(shí)間:2022-08-26 10:10來(lái)源:廣州日?qǐng)?bào) 作者:方晴
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8月25日，廣州日?qǐng)?bào)記者從香港科技大學(xué)霍英東研究院和國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心獲悉，近日，香港科技大學(xué)化學(xué)及生物工程學(xué)系教授兼香港科大能源研究院院長(zhǎng)邵敏華帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)依托“天河二號(hào)”研發(fā)了一款新型氫燃料電池，刷新了該種電池發(fā)電耐久性的世界記錄，且極具經(jīng)濟(jì)效益，將有力推動(dòng)綠色能源的普及化及碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。其相關(guān)成果于6月成功發(fā)表在全球催化領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Nature Catalysis》上。
氫燃料電池大規(guī)模商業(yè)化受限于昂貴的催化劑鉑(Pt)
氫燃料電池利用無(wú)污染的氫氣、氧氣和水來(lái)產(chǎn)生和儲(chǔ)存電，過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、懸浮粒子及其他有機(jī)會(huì)引致煙霧及健康問(wèn)題的空氣污染物，是較潔凈的電能來(lái)源。氫燃料電池可以被應(yīng)用于新能源汽車，從而改進(jìn)交通運(yùn)輸領(lǐng)域的能源結(jié)構(gòu)。
氫燃料電池對(duì)環(huán)境危害小，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但始終未能大規(guī)模商業(yè)化。原因是氫燃料電池依賴電催化劑(electrocatalyst)發(fā)電。但催化劑一般由鉑(Pt)制成，這種金屬不僅成本高昂，產(chǎn)量亦稀少。科學(xué)家們一直努力尋找譬如鐵-氮-碳等較常見(jiàn)而廉價(jià)的物質(zhì)作為鉑(Pt)的替代品，但這些物質(zhì)的催化發(fā)電效能和耐久性均欠佳。
新技術(shù)大幅降低鉑(Pt)所需量達(dá)八成
邵敏華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的這款新型氫燃料電池，大幅降低催化劑鉑(Pt)的所需量達(dá)八成，更刷新了氫燃料電池發(fā)電耐久性的世界記錄。
依托“天河二號(hào)”豐富的存儲(chǔ)資源和強(qiáng)大的計(jì)算能力，團(tuán)隊(duì)對(duì)該催化劑表面的氧氣還原反應(yīng)(ORR)進(jìn)行模擬計(jì)算，用密度泛函理論(DFT)證明其催化性能比鉑更優(yōu)越。
催化劑效能出眾，其中一個(gè)原因是它有三個(gè)不同類型的活性中心(active site) 進(jìn)行催化作用，較只有一個(gè)活性中心的傳統(tǒng)催化劑多。由原子分散的鉑、單原子鐵，以及鉑鐵合金納米粒子所組成的新型混合催化劑，可以加快催化速度，與此同時(shí)產(chǎn)生的催化作用較鉑催化劑高出3.7倍。理論上，催化性能愈好，燃料電池所產(chǎn)生的功率也會(huì)愈大。
▲邵敏華教授手持氫燃料電池原型
這款新型混合催化劑的鉑含量極低，但經(jīng)過(guò)十萬(wàn)次電壓循環(huán)（把電壓值設(shè)于0.6V保持三秒，其后再把電壓值加大至0.9V再保持三秒為一次循環(huán)）的加速壓力測(cè)試后，其催化效率仍維持在97%；而一般的催化劑經(jīng)過(guò)了三萬(wàn)次的加速壓力測(cè)試后，效率降低約50%。團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)測(cè)試顯示，氫燃料電池使用了新型混合催化劑后，即使持續(xù)運(yùn)作超過(guò)200小時(shí)（電壓值設(shè)于0.6V），其催化效果也沒(méi)有出現(xiàn)下降。
“天河二號(hào)”助產(chǎn)全球最耐久氫燃料電池
氫氣氧化(HOR)和析出反應(yīng)(HER)是燃料電池和水電解制氫的又一重要電化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)引入其他金屬對(duì)原金屬催化劑表面進(jìn)行修飾，堿性HOR/HER的活性得到顯著提高。然而，引入外部金屬的作用及其提升HOR/HER活性的機(jī)理仍不明確。過(guò)往研究表明，在鉑(Pt)表面引入釕(Ru)可以有效提高HOR/HER的催化活性，其背后的原因也成為了研究的重點(diǎn)。
邵敏華教授課題組從2020年起，通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)衰減全反射-表面增強(qiáng)紅外吸收光譜技術(shù)(ATR-SEIRAS)和密度泛函理論(DFT)計(jì)算，對(duì)Pt-Ru雙金屬表面的HOR/HER機(jī)理進(jìn)行了深入研究。在模型構(gòu)建及DFT計(jì)算中，研究人員模擬了不同吸附氫(Hfcc)覆蓋度的包含顯性水層的固-液界面（如下圖所示），并對(duì)堿性介質(zhì)中HOR/HER的反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了探索。
▲Ru/Pt(111)表面模型
通過(guò)南沙分中心為連接點(diǎn)的跨境專用科研光纖網(wǎng)絡(luò)專線，研究團(tuán)隊(duì)借助超算對(duì)DFT軟件進(jìn)行編譯，計(jì)算任務(wù)被提交至“天河二號(hào)”進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算，能夠有效降低計(jì)算模擬時(shí)間，加速推進(jìn)研究工作。
加強(qiáng)綠色能源應(yīng)用，建立碳中和社會(huì)
“建立一個(gè)碳中和的社會(huì)，采用氫燃料電池這種綠色能源轉(zhuǎn)換設(shè)備是有必要的。面對(duì)嚴(yán)峻的氣候危機(jī)，綠色能源的應(yīng)用必需進(jìn)一步加強(qiáng)。我很高興這個(gè)研究成果有助我們向這個(gè)目標(biāo)邁進(jìn)一步。” 邵敏華教授介紹道。
“天河二號(hào)”穩(wěn)定豐富的高性能計(jì)算資源以及專業(yè)的技術(shù)支持為本項(xiàng)工作順利開(kāi)展提供了重要支撐。未來(lái)，邵敏華教授團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)依托超算深入研究各種催化劑表面的電催化反應(yīng)機(jī)理，并構(gòu)建更貼近真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件的固-液界面。同時(shí)，通過(guò)對(duì)催化劑表面的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和調(diào)控，團(tuán)隊(duì)將對(duì)已有催化劑進(jìn)行改進(jìn)、組合和優(yōu)化，致力于從理論計(jì)算方向開(kāi)發(fā)高性能催化劑，從而提升催化活性和促進(jìn)催化反應(yīng)，最終推動(dòng)化學(xué)工業(yè)及整個(gè)社會(huì)的發(fā)展。
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