Skoltech 科大采用等离子处理 成功改善工业和车辆燃料电池的电极材料性能

据外媒报道，俄罗斯 Skoltech 科大(Skolkovo Institute of Science and Technology)研究人员通过将碳基电极材料暴露在空气等离子体中成功改善其性能。事实证明，这种处理可以增强电极性能，而电极性能是高科技能源(尤其是燃料电池)的限制因素。

这是一项有前途的清洁、更高效发电技术。相关研究已发表于期刊《Journal of Electroanalytical Chemistry》。论文甚至称制造成本较低的空气等离子体比纯氮或氧等离子体更适合加工碳材料。

使燃烧天然气更清洁的一种方法是使用燃料电池。从技术上讲，这些装置并不燃烧燃料，而是以不同的方式氧化燃料。该过程对环境更加友好，因为它产生更多的有用电力，更少的温室气体，并且不排放氮氧化物、二氧化硫和气溶胶颗粒等污染物。

燃料电池用于为工业设施和家庭供电，特别是在偏远的离网地点和需要备用电源的地方。另一个应用是为太空探测器、潜艇、在冷藏空间中运行的工业卡车以及汽车、公共汽车、火车和船只等更传统的车辆发电。该技术的主要优点是其效率、弹性和可持续性。

目前最大的挑战是应对燃料电池的高工作温度，并改进其三个主要部件中使用的先进材料：正极和负极以及它们之间的陶瓷电解质层，这有利于产生有用能量的化学反应。此前，Skoltech 研究人员为固体氧化物燃料电池制造了形状复杂的电解组件。这项新研究对一种常见的阳极材料进行了修补以对其进行改进。

" 固体氧化物燃料电池中的阳极由各种形式的碳制成，且这些材料的催化活性限制了供电电池中的反应速率。我们寻求通过将外来原子(称为缺陷)掺入碳电极来提高催化活性的方法。而这被称为缺陷工程(defect engineering)，" 该研究的主要作者、Skoltech Materials 的助理教授 Stanislav Evlashin 表示。" 在这项研究中，我们将不同比例的氧和氮原子引入高度取向的热解石墨和另一种碳基材料中，方法是将它们暴露于不同成分的等离子体中。"

为了修改电极材料，研究小组对其进行直流放电，在交替填充纯氮气、纯氧气和普通空气的室内形成等离子体。三者中后者表现最好，因为纯气体更昂贵。

一般来说，这种缺陷工程方法比现有的替代方法更经济，即碳掺杂氧化钌或铂。 这项新技术也很方便，因为可以在原始材料的制造过程中引入氧和氮夹杂物，而不需要额外的后处理阶段，而这是氧化钌和铂掺杂所必需的。

就对催化活性的影响而言，等离子体处理改善了材料的性能，足以使由其制成的电极与使用贵金属的电极相当接近。研究结果表明，缺陷工程方法可以显著改善材料的电化学特性，而无需加入额外的材料或生产步骤。一旦研究人员学会以受控方式在材料合成过程中插入缺陷，所生产的材料就可以立即用于电流源的制造。