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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

時間:2022-08-26 10:10來源:廣州日報 作者:方晴
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       8月25日，廣州日報記者從香港科技大學(xué)霍英東研究院和國家超級計算廣州中心獲悉，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邵敏華帶領(lǐng)的團隊依托“天河二號”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)濟效益，將有力推動綠色能源的普及化及碳中和目標(biāo)的實現(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)
 
       氫燃料電池利用無污染的氫氣、氧氣和水來產(chǎn)生和儲存電，過程不會產(chǎn)生二氧化碳、懸浮粒子及其他有機會引致煙霧及健康問題的空氣污染物，是較潔凈的電能來源。氫燃料電池可以被應(yīng)用于新能源汽車，從而改進交通運輸領(lǐng)域的能源結(jié)構(gòu)。
 
       氫燃料電池對環(huán)境危害小，具有獨特優(yōu)勢，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�？茖W(xué)家們一直努力尋找譬如鐵-氮-碳等較常見而廉價的物質(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)所需量達八成
 
       邵敏華帶領(lǐng)團隊研發(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”豐富的存儲資源和強大的計算能力，團隊對該催化劑表面的氧氣還原反應(yīng)(ORR)進行模擬計算，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，其中一個原因是它有三個不同類型的活性中心(active site) 進行催化作用，較只有一個活性中心的傳統(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)過十萬次電壓循環(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)）的加速壓力測試后，其催化效率仍維持在97%；而一般的催化劑經(jīng)過了三萬次的加速壓力測試后，效率降低約50%。團隊的另一項測試顯示，氫燃料電池使用了新型混合催化劑后，即使持續(xù)運作超過200小時（電壓值設(shè)于0.6V），其催化效果也沒有出現(xiàn)下降。
 
      “天河二號”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)。通過引入其他金屬對原金屬催化劑表面進行修飾，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活性的機理仍不明確。過往研究表明，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。
 
       邵敏華教授課題組從2020年起，通過結(jié)合現(xiàn)場衰減全反射-表面增強紅外吸收光譜技術(shù)(ATR-SEIRAS)和密度泛函理論(DFT)計算，對Pt-Ru雙金屬表面的HOR/HER機理進行了深入研究。在模型構(gòu)建及DFT計算中，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），并對堿性介質(zhì)中HOR/HER的反應(yīng)過程進行了探索。
▲Ru/Pt(111)表面模型
 
       通過南沙分中心為連接點的跨境專用科研光纖網(wǎng)絡(luò)專線，研究團隊借助超算對DFT軟件進行編譯，計算任務(wù)被提交至“天河二號”進行大規(guī)模并行計算，能夠有效降低計算模擬時間，加速推進研究工作。

       加強綠色能源應(yīng)用，建立碳中和社會
 
       “建立一個碳中和的社會，采用氫燃料電池這種綠色能源轉(zhuǎn)換設(shè)備是有必要的。面對嚴(yán)峻的氣候危機，綠色能源的應(yīng)用必需進一步加強。我很高興這個研究成果有助我們向這個目標(biāo)邁進一步。” 邵敏華教授介紹道。
 
       “天河二號”穩(wěn)定豐富的高性能計算資源以及專業(yè)的技術(shù)支持為本項工作順利開展提供了重要支撐。未來，邵敏華教授團隊將繼續(xù)依托超算深入研究各種催化劑表面的電催化反應(yīng)機理，并構(gòu)建更貼近真實實驗條件的固-液界面。同時，通過對催化劑表面的電子結(jié)構(gòu)進行分析和調(diào)控，團隊將對已有催化劑進行改進、組合和優(yōu)化，致力于從理論計算方向開發(fā)高性能催化劑，從而提升催化活性和促進催化反應(yīng)，最終推動化學(xué)工業(yè)及整個社會的發(fā)展。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 氫燃料電池 廣州超算 港科大
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