催化劑是燃料電池關(guān)鍵材料之一，對(duì)燃料電池性能有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)前國(guó)產(chǎn)燃料電池鉑炭催化劑整體產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)仍然缺乏，如何提升產(chǎn)品性能、降低成本、提高催化劑工藝制備水平等都是業(yè)內(nèi)十分關(guān)心的痛點(diǎn)問(wèn)題。

值此國(guó)內(nèi)燃料電池催化劑技術(shù)攻關(guān)的關(guān)鍵時(shí)期，高工氫電、高工產(chǎn)業(yè)研究院將于7月3-4日在上海舉行“2019高工氫電產(chǎn)業(yè)高峰論壇”，此次峰會(huì)主題為“風(fēng)口上起舞，刀口上前行”，來(lái)自車企、電堆及系統(tǒng)、核心材料、關(guān)鍵零部件及設(shè)備等產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的超700位企業(yè)負(fù)責(zé)人將共聚一堂，圍繞產(chǎn)品技術(shù)及行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行深度探討交流。

屆時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鉑炭催化劑活性試驗(yàn)方法起草人、西北有色金屬研究院教授楊喬森將在本次峰會(huì)的“核心材料/智能裝備助力燃料電池性能提升”專場(chǎng)發(fā)表主題演講。

資料顯示，1983年西北有色金屬研究院設(shè)立“西北有色金屬研究院催化劑研究所”，開(kāi)創(chuàng)貴金屬催化劑國(guó)產(chǎn)化研究；1992年國(guó)內(nèi)第一個(gè)工業(yè)化鈀炭催化劑誕生，在岳陽(yáng)石化得到應(yīng)用，替代了進(jìn)口美國(guó)鈀炭催化劑；2003年承擔(dān)國(guó)家十五科技攻關(guān)計(jì)劃(863)項(xiàng)目“炭載納米鉑炭催化劑研究”；2005年國(guó)內(nèi)第一個(gè)工業(yè)化化工用鉑炭催化劑誕生，在山東蘭德廠得到應(yīng)用，替代了日本鉑炭催化劑；2011年設(shè)立“陜西省貴金屬催化劑工程研究中心”；2017“鉑炭催化劑活性試驗(yàn)方法”等4個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布；2018年設(shè)立功能材料“貴金屬催化劑國(guó)家與地方聯(lián)合研究中心”。

由于長(zhǎng)期以來(lái)催化劑生產(chǎn)處于“技藝”階段，加之鉑炭催化劑工藝技術(shù)的保密，所以催化劑活性組分和載體的選擇主要依據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)和大量的試驗(yàn)來(lái)決定。西北有色金屬研究院依托長(zhǎng)達(dá)30年的技術(shù)積累和國(guó)內(nèi)成熟的技術(shù)平臺(tái)，正為推動(dòng)國(guó)產(chǎn)鉑炭催化劑發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

在本次峰會(huì)開(kāi)啟前，高工氫電特別專訪楊喬森教授，深入了解燃料電池鉑炭催化劑的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。楊喬森教授本人在國(guó)內(nèi)貴金屬催化劑領(lǐng)域深耕18余年，對(duì)貴金屬催化劑有深刻的理解和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，解決了若干關(guān)鍵難題，參與了2003年“863”項(xiàng)目《鉑炭催化劑的國(guó)產(chǎn)化研究》，該項(xiàng)目獲得部級(jí)、省級(jí)和市級(jí)二等級(jí)各一次，5個(gè)貴金屬催化劑國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制訂，4個(gè)發(fā)明專利，6篇論文。他對(duì)于燃料電池鉑炭催化劑有哪些真知灼見(jiàn)？

高工氫電：請(qǐng)介紹西北有色金屬研究院燃料電池催化劑研究及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。

楊喬森：西北有色金屬研究院是國(guó)內(nèi)最早從事炭載貴金屬催化劑研究與生產(chǎn)的單位，已從事炭載貴金屬催化劑的研發(fā)與生產(chǎn)、催化工藝的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、廢催化劑的回收再加工等業(yè)務(wù)30余年，該院氫燃料電池鉑炭催化劑開(kāi)展了制備工藝量產(chǎn)技術(shù)攻關(guān)，在對(duì)傳統(tǒng)催化劑長(zhǎng)期研究積累的基礎(chǔ)上，使得氫燃料電池鉑炭催化劑產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)難題成功攻克，該院氫燃料電池催化劑的產(chǎn)能若有需求可以生產(chǎn)超過(guò)1000克/天，燃料電池鉑炭催化劑產(chǎn)品正在幾家膜電極生產(chǎn)廠家進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試評(píng)價(jià)，有望大規(guī)模生產(chǎn)，替代進(jìn)口鉑炭催化劑。

高工氫電：燃料電池鉑炭催化劑制備研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)是什么？

楊喬森：目前實(shí)際應(yīng)用的燃料電池炭載鉑催化劑，鉑擔(dān)載量一般高達(dá)20%以上，較通常的化工用擔(dān)載型催化劑(鉑擔(dān)載量低于5%)的制備難度要大很多，國(guó)內(nèi)目前尚處于研發(fā)測(cè)試評(píng)價(jià)階段，未形成生產(chǎn)能力，產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。

燃料電池炭載鉑催化劑中鉑納米顆粒粒度、粒度分布及雜質(zhì)含量對(duì)催化劑的電催化性能和運(yùn)行穩(wěn)定性有很大的影響。當(dāng)催化劑中金屬Pt粒子的粒度在2——5nm、粒子粒度分布窄、在炭上分散均勻，催化劑中有害雜質(zhì)(如Cl)含量少時(shí)，催化劑具有較好的活性和穩(wěn)定性。炭載鉑催化劑中Pt金屬粒子的粒度、粒度分布及雜質(zhì)含量的控制是制備研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

高工氫電：在研發(fā)燃料電池催化劑過(guò)程中，西北有色金屬研究院碰到的最大困難是什么，又是如何克服的？

楊喬森：催化劑除了可以加速化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行(即活性)外，還可以使反應(yīng)向生成某一特定產(chǎn)物的方向進(jìn)行，這就是催化劑的選擇性。不同的客戶對(duì)催化劑要求不一樣，所以開(kāi)發(fā)催化劑就要“一戶一系，一廠一方”量身定制，這就給我們催化劑制備帶來(lái)很大困難，目前我們催化劑評(píng)價(jià)方法就有100多種體系，開(kāi)發(fā)催化劑配方需要花費(fèi)大量的人力、物力。

高工氫電：當(dāng)前燃料電池催化劑依賴進(jìn)口，請(qǐng)問(wèn)國(guó)內(nèi)外差距在哪？

楊喬森：國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃料電池鉑炭催化劑已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)，但距離國(guó)際先進(jìn)水平仍有差距。本田Clarity催化劑Pt含量降至0.12g/kW，豐田Mirai燃料電池催化劑Pt含量達(dá)到0.175g/kW，而我國(guó)的鉑用量大概在0.3——0.4g/kW。

國(guó)內(nèi)鉑炭催化劑活性距離國(guó)際先進(jìn)水平還是有差距的。鉑炭催化劑國(guó)際生產(chǎn)商有四大巨頭，分別是英國(guó)的莊信萬(wàn)豐、日本的田中、德國(guó)的巴斯夫、德國(guó)的德固賽。目前我們單位所有的鉑炭催化劑中，唯一一個(gè)沒(méi)有替代就是氫能燃料電池鉑炭催化劑，我們?cè)瓉?lái)在這方面沒(méi)有重視，如果把燃料電池催化劑替代的話，我們就把國(guó)外所有進(jìn)口的鉑炭催化劑都替代了。

高工氫電：鉑載量降低將呈怎樣的趨勢(shì)？未來(lái)非鉑催化劑有無(wú)可能？

楊喬森：未來(lái)燃料電池催化劑發(fā)展的主要有三個(gè)方向：一是高活性、低鉑量催化劑的研究，這是我們目前的研究方向，研究鉑貴金屬利用率的最大化，節(jié)約鉑貴金屬用量，降低催化劑成本，具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

二是Pt-M合金催化劑，Pt-M催化劑是Pt與過(guò)渡金屬形成的合金催化劑，通過(guò)過(guò)渡金屬催化劑對(duì)Pt的電子與幾何效應(yīng)，在提高穩(wěn)定性的同時(shí)，質(zhì)量比活性也有所提高；同時(shí)，降低了貴金屬的用量，使催化劑成本也得到大幅度降低。如Pt-Co/C、Pt-Fe/C、Pt-Ni/C等二元合金催化劑，展示出了較好的活性與穩(wěn)定性。

針對(duì)Pt-M催化劑，需要解決燃料電池工況下過(guò)渡金屬的溶解問(wèn)題，金屬溶解不但降低了催化劑活性，還會(huì)產(chǎn)生由于金屬離子引起的膜降解問(wèn)題。因此，提高Pt-M催化劑的穩(wěn)定性問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。

三是非貴金屬催化劑，非貴金屬催化劑的研究主要包括過(guò)渡金屬原子簇合物、過(guò)渡金屬螯合物、過(guò)渡金屬氮化物與碳化物等。在這方面，各種雜原子摻雜的納米碳材料成為研究熱點(diǎn)，如N摻雜的非貴金屬催化劑與鉑炭相比活性偏低。目前非貴金屬催化劑實(shí)驗(yàn)結(jié)果距離工業(yè)化還有很長(zhǎng)的路，當(dāng)前迫切需求制備低含量、高利用率的鉑貴金屬催化劑。

高工氫電：燃料電池行業(yè)發(fā)展是否過(guò)熱？請(qǐng)您預(yù)判燃料電池催化劑發(fā)展趨勢(shì)，及應(yīng)對(duì)策略。

楊喬森：氫燃料電池是零排放的終極解決方案，關(guān)注度持續(xù)攀升，相關(guān)燃料電池會(huì)議組織熱度高漲，確實(shí)熱過(guò)頭了。新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不可能一蹴而就，產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)要循序漸進(jìn)，讓技術(shù)和產(chǎn)品逐漸成熟，培育好產(chǎn)業(yè)鏈，構(gòu)建好基礎(chǔ)設(shè)施，才能逐步實(shí)現(xiàn)氫燃料汽車真正意義上的市場(chǎng)化。若想實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，必須先解決氫氣的純度和加氫站建設(shè)等一系列問(wèn)題。

燃料電池技術(shù)所需要的氫純度要求非常高，其中一氧化碳的濃度要保持10的負(fù)6次方以下，否則會(huì)讓鉑炭催化劑中毒。工業(yè)副產(chǎn)的氫氣提純難度大，電解水制氫純度高，但成本是煤炭天然氣制氫的2-3倍。所以，對(duì)氫燃料電池的產(chǎn)業(yè)化要作長(zhǎng)遠(yuǎn)打算，切切實(shí)實(shí)地解決關(guān)鍵材料和關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。