廣州超算神助攻！港科大研發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，香港科技大學化學及生物工程學系教授兼香港科大能源研究院院長邵敏華帶領的團隊依托“天河二號”研發了一款新型氫燃料電池，刷新了該種電池發電耐久性的世界記錄，且極具經濟效益，將有力推動綠色能源的普及化及碳中和目標的實現。其相關成果于6月成功發表在全球催化領域頂級期刊《Nature Catalysis》上。
氫燃料電池大規模商業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、氧氣和水來產生和儲存電，過程不會產生二氧化碳、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用于新能源汽車，從而改進交通運輸領域的能源結構。
氫燃料電池對環境危害小，具有獨特優勢，但始終未能大規模商業化。原因是氫燃料電池依賴電催化劑(electrocatalyst)發電。但催化劑一般由鉑(Pt)制成，這種金屬不僅成本高昂，產量亦稀少。科學家們一直努力尋找譬如鐵-氮-碳等較常見而廉價的物質作為鉑(Pt)的替代品，但這些物質的催化發電效能和耐久性均欠佳。
新技術大幅降低鉑(Pt)所需量達八成
邵敏華帶領團隊研發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(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，但經過十萬次電壓循環（把電壓值設于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）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，即使持續運作超過200小時（電壓值設于0.6V），其催化效果也沒有出現下降。
“天河二號”助產全球最耐久氫燃料電池
氫氣氧化(HOR)和析出反應(HER)是燃料電池和水電解制氫的又一重要電化學反應。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，通過結合現場衰減全反射-表面增強紅外吸收光譜技術(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），并對堿性介質中HOR/HER的反應過程進行了探索。
▲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絡專線，研究團隊借助超算對DFT軟件進行編譯，計算任務被提交至“天河二號”進行大規模并行計算，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換設備是有必要的。面對嚴峻的氣候危機，綠色能源的應用必需進一步加強。我很高興這個研究成果有助我們向這個目標邁進一步。” 邵敏華教授介紹道。
“天河二號”穩定豐富的高性能計算資源以及專業的技術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依托超算深入研究各種催化劑表面的電催化反應機理，并構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構進行分析和調控，團隊將對已有催化劑進行改進、組合和優化，致力于從理論計算方向開發高性能催化劑，從而提升催化活性和促進催化反應，最終推動化學工業及整個社會的發展。
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