大量合成铂基核壳催化剂示意图
目前质子交换膜燃料电池是最有发展前途的燃料电池之一,但质子交换膜燃料电池需要用重金属铂(Pt)作为催化剂,其使用量要求达到0.1~0.2mg/cm3,目前用量要求达到0.5 mg/cm3,距离要求还较远。而且铂(Pt)在反应过程中受CO的作用会“中毒”而失效。铂(Pt)的使用和铂(Pt)的失效使质子交换膜燃料电池的造价持高不下。
为了使将来的PEGC进一步降低成本,相关企业还打算灵活运用面向燃料电池车开发的催化剂技术。PEFC的燃料极和空气极都要使用铂,但由于还原反应的反应速度较慢,因此空气极的铂用量尤其多。燃料电池车中的铂用量为每辆几十克。铂的价格约为280元/克,因此必须削减用量。家用燃料电池的铂用量虽然每台只有几克,但“在以100日元为单位削减成本的情况下,能以1000日元为单位削减成本带来的冲击相当大。我们非常期待”(东芝燃料电池系统)。
削减铂用量方面较受关注的技术之一是“核壳催化剂”。该技术通过只在催化剂表面使用铂、在催化剂的中心部分使用其他材料来削减铂用量。以粒径为3nm的催化剂为例,如果仅在表面使用铂,预计铂用量可减少一半。
日本同志社大学一直在开发内核使用价格仅为铂的约一半的钯(Pd)的核壳催化剂。此前利用“Cu-UPD(欠电位沉积)”法,一次只能制造几十μg,而现在开发出了可大量合成的改良型Cu-UPD法。新方法非常简单,首先,把在碳(C)上附着有钯微粒的Pd/C粉末加入酸性硫酸铜水溶液;其次,在水溶液中放入网状铜(Cu)并进行搅拌,铜会附着在钯表面;然后捞出铜并添加K2PtCl4(氯亚铂酸钾),钯表面的铜就会被置换成铂。