鎢鉬稀土在新能源電池領域的應用與市場研究（二十）
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- 分類：鎢新聞
- 發佈於：2024-06-06, 週四 09:47
- 作者 Xiaoting
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第Ⅲ部分 鉬在新能源電池市場的介紹
第二十章 鉬在燃料電池中的應用
燃料電池，是一種將燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置，又稱電化學發電器，是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之後的第四種發電技術，工作原理基於電化學反應，通過燃料的氧化與氧化劑的還原反應，將化學能直接轉換為電能。這一過程中，不受卡諾迴圈效應的限制，因此具有高效性。
燃料電池具有多種類型，如質子交換膜燃料電池（PEMFC）、鹼性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）和直接醇類燃料電池（DMFC）等。其中，PEMFC因功率密度大、重量輕、體積小、壽命長、工藝成熟等優點，被認為是將來車用燃料電池最理想的技術方案。
近年來，燃料電池行業取得了顯著的發展。根據尚普諮詢集團的資料，2022年PEMFC系統的功率密度達到了5.0千瓦/升，比2010年的1.5千瓦/升提高了233%。同時，PEMFC系統的耐久性也從2010年的2500小時增加到了2022年的7000小時，可靠性則從95%提高到了99.5%。這些指標的提升，無疑增強了燃料電池的實用性和競爭力。
中國作為燃料電池技術的重要研發和應用國家，近年來在氫燃料電池電堆技術方面取得了顯著進展。國內部分領先自主品牌已在關鍵技術和工藝上實現突破，掌握核心技術和擁有自主智慧財產權，推動了更多氫燃料電池相關部件的國產化。在政府的大力推動下，國內生產氫燃料電池電堆和氫燃料電池系統的公司正在加大研發投入，以期進一步提高技術水準和降低成本。
隨著全球對清潔能源和可持續發展的追求，燃料電池的發展前景廣闊。燃料電池具備運行中零排放、高效率等優異特性，是我國在交通運輸領域實現低碳排放的重要技術路線之一。特別是在汽車領域，氫燃料電池汽車因零排放、高載重、長續航、燃料補給快等優勢，逐漸受到市場的青睞。隨著政府出臺應對氣候變化和環境污染問題的政策，以及人們環保意識的提高，氫燃料電池汽車的需求將進一步增長，從而促進燃料電池技術的發展和應用。
據中鎢線上/中鎢智造瞭解，金屬鉬及其化合物如三氧化鉬、碳化鉬、氮化鉬、磷鉬酸等在燃料電池中發揮著重要作用。
三氧化鉬（MoO₃）：在液態銀陽極-固體氧化物燃料電池中，三氧化鉬作為液態氧離子導體被引入陽極材料，以增加陽極內氧離子輸運通道的數量，提高陽極的氧輸運速率，從而提升燃料電池的性能。電化學測試結果表明，當三氧化鉬與銀的摩爾比為10%時，燃料電池的最大功率密度達到16.82mW/cm²，較純銀陽極提升了75.6%。
碳化鉬（Mo₂C）：在製備微生物燃料電池陽極中，碳化鉬作為催化劑被應用於電極材料中。碳化鉬能夠催化氫氧化反應，提高微生物燃料電池的電能輸出。與常規Pt催化劑相比，碳化鉬價格低廉，來源廣泛，且以碳化鉬為陽極催化劑組裝的微生物燃料電池可長期穩定運行，功率輸出高。
氮化鉬和磷鉬酸等其他鉬化合物：這些材料在燃料電池中可能也具有一定的應用潛力，但目前相關的研究和應用相對較少。
20.1金屬鉬在燃料電池中的應用
金屬鉬是一種銀白色的過渡金屬元素，位於元素週期表的第五週期第6族（鉻分族）。其原子序數為42，相對原子品質為95.95。在常溫下，鉬是穩定的金屬，具有良好的硬度和韌性，熔點極高，達到2622℃，沸點為4825℃。鉬的密度相對較大，為10.28克/立方釐米。此外，鉬還具有良好的導電性和導熱性，電阻率較低，為5.2×10⁻⁸歐姆·米（20℃）。
金屬鉬的基本特點
（1）高熔點與高耐熱性：鉬的高熔點使其在高溫環境下仍能保持穩定的物理和化學性質，因此，鉬及其化合物在高溫條件下具有出色的耐熱性。
（2）優良的導電性與導熱性：鉬的導電性和導熱性均較為出色，這使得它在需要高效熱量傳輸和電流傳輸的應用中具有重要作用。
（3）耐腐蝕性：鉬在多種化學環境中都表現出良好的耐腐蝕性，能夠抵抗酸、堿等化學物質的侵蝕。
（4）生物活性：鉬是生物體內必需的微量元素之一，參與多種生物酶的合成和啟動，對維持生物體的正常生理功能具有重要作用。
金屬鉬的應用領域
（1）電池領域：燃料電池是一種將化學能直接轉化為電能的裝置，具有高效、環保等優點。在燃料電池中，金屬鉬主要作為催化劑或催化劑載體使用。由於鉬具有優良的催化性能，可以有效降低燃料電池中的電化學反應活化能，提高反應速率和效率。同時，鉬的耐腐蝕性也使其在燃料電池的惡劣工作環境中能夠保持長期的穩定性和可靠性。
（2）電子工業：金屬鉬在電子工業中的應用主要體現在製造電子管、電晶體、積體電路等電子器件方面。鉬的優良導電性和穩定性使得這些電子器件具有出色的性能和可靠性。
（3）化工工業：鉬化合物在化工領域具有廣泛的應用，如作為催化劑參與多種化學反應，提高反應速率和選擇性。此外，鉬還可用於生產多種化學品，如鉬酸鈉、氧化鉬等。
（4）航空航太領域：由於鉬及其合金具有高強度、高韌性和良好的耐高溫性能，因此被廣泛應用於航空航天器的製造中，如發動機部件、高溫結構件等。
（5）生物工業：鉬在生物體內發揮著重要作用，因此，在農業領域，鉬可以作為肥料和飼料添加劑，促進植物的生長和動物的發育。同時，鉬還廣泛應用於生物醫藥領域，如參與抗癌藥物的研發等。
（6）鋼鐵行業：鉬在鋼鐵行業中的應用尤為廣泛。通過添加鉬元素，可以顯著提高鋼的強度、韌性、耐磨性和耐腐蝕性等性能。因此，鉬在製造高強度、高韌性、耐腐蝕的特種鋼材方面發揮著不可替代的作用。
20.1.1 燃料電池催化劑用金屬鉬
20.1.2 燃料電池電極用金屬鉬
20.1.3燃料電池用金屬鉬的挑戰
20.2 三氧化鉬納米線在燃料電池中的應用
20.2.1 燃料電池陽極用三氧化鉬納米線
20.2.2燃料電池陽極用三氧化鉬納米線的挑戰
20.3 碳化鉬在燃料電池中的應用
隨著全球能源危機的加劇和環境保護意識的提升，清潔、高效的能源轉換技術成為了研究的熱點。燃料電池作為一種直接將化學能轉換為電能的裝置，因其高效率、低污染等優點而受到廣泛關注。在燃料電池的眾多催化劑中，碳化鉬因其獨特的性質而備受青睞。
碳化鉬（Molybdenum Carbide, MoC）是由金屬鉬與非金屬碳共同組成的一種化合物，其化學式為MoC，分子量為107.95。MoC粉末外觀呈深灰色，具有較高的熔點（2690℃）和密度（9.18g/cm³）。作為一種功能材料，MoC粉末因其高熔點、硬度、良好的熱穩定性和機械穩定性、抗腐蝕性等特點而廣泛應用於各個領域。
碳化鉬晶體的結構由鉬原子和碳原子共同組成。鉬原子以六角形的晶格排列在一起，每個鉬原子都與六個相鄰的鉬原子形成共價鍵，形成了一個穩定的三維結構。碳原子則插入在鉬原子之間的空隙中，與周圍的鉬原子形成共價鍵。這種結構使得碳化鉬具有優良的熱穩定性和機械穩定性。
碳化鉬粉末的密度高（9.18g/cm³），熔點高（2690℃），硬度大，耐磨性強。這些物理性質使得MoC粉末在耐高溫、耐摩擦和耐化學腐蝕等領域具有廣泛的應用前景。碳化鉬粉末具有良好的化學穩定性，不溶于水和堿液，微溶於硝酸、硫酸和氫氟酸。此外，MoC粉末還具有類似貴金屬的電子結構和催化特性，可用於多種催化反應，如加氫氫解反應、異構化反應、加氫脫硫反應、加氫脫氮反應等。
隨著化學工程技術的發展，人們已經開發出一系列合成方法來獲得納米級的純淨的碳化鉬粉末。以下是幾種常見的生產方法：
（1）程式升溫還原法：它是實驗室中使用最廣泛的獲取MoC的方法。該方法以氧化鉬為鉬源，烴氣和氫氣分別作為二氧化碳和氣體還原的基礎材料。在反應過程中，溫度緩慢升高以確保平衡催化速度。通過色譜法監測尾氣的組成和含量，並據此評估反應過程，及時停止與炭化原料的反應以獲得較大表面積的MoC。
（2）微波熱解法：其利用微波加熱迅速的特點，使系統溫度在短時間內達到設定值，從而縮短MoC的製備時間。該方法可以有效抑制熱粒子現象，從微波溶液中獲得MoC，顆粒均勻且尺寸較小。
（3）溶膠凝膠法：其是將凝膠加熱並在60℃～80℃蒸發，然後在850℃的氫氣中加熱14h，得到六方MoC。該方法操作簡單，易於控制產品的純度和細微性。
在燃料電池中，碳化鉬可以作為電極的催化劑，促進氫氧化反應。由於碳化鉬具有類似貴金屬的電子結構和催化特性，它可以在較低的溫度下提供高效的催化活性，從而降低燃料電池的運行成本。此外，碳化鉬還具有良好的抗腐蝕性，可以在燃料電池的惡劣工作環境中保持穩定的性能。
除了燃料電池外，碳化鉬粉末還可用於製備光催化劑、CO2還原等。在光催化劑中，碳化鉬可以吸收光能，產生光生電子和空穴，促進光催化反應。在CO2還原中，碳化鉬可以催化CO2與氫反應生成甲烷等，有助於實現碳的迴圈利用。
20.3.1 燃料電池陽極材料用碳化鉬
20.3.2 燃料電池陰極材料用碳化鉬
20.3.3 燃料電池催化劑用碳化鉬
20.3.4 燃料電池用碳化鉬的挑戰
20.4 氮化鉬在燃料電池中的應用
20.4.1 燃料電池陽極材料用氮化鉬
20.4.2 燃料電池陰極材料用氮化鉬
20.4.3 燃料電池電極用氮化鉬的挑戰
20.5 磷鉬酸在燃料電池中的應用
燃料電池作為一種高效、清潔的能源轉換裝置，近年來受到了廣泛關注。在燃料電池的研究與開發中，催化劑的選擇對燃料電池的性能具有決定性的影響。磷鉬酸作為一種獨特的催化劑材料，在燃料電池中發揮著重要作用，特別是在燃料電池的碳間接電氧化過程中，磷鉬酸作為介質展現出了優異的性能。
磷鉬酸（Phosphomolybdic Acid，簡稱PMA），是一種絡合物，具有腐蝕性，同時表現出酸的通性。其化學式為H₃PO₄·12MoO₃（有時也寫為24MoO₃·P₂O₅·3H₂O），分子量為1825.254。磷鉬酸在外觀上呈現為嫩黃色或桔黃色的棱形結晶或結晶粉末，可溶于水和乙醇、乙醚等有機溶劑。其熔點範圍在78-90°C之間，密度為1.62 g/mL（在25°C下）。
磷鉬酸的晶體結構獨特且複雜。其基本結構由磷中心和12個鉬氧團簇組成。每個鉬氧團簇由一個中心鉬原子和6個氧原子組成，形成一個四面體結構。這些四面體通過共用頂點的方式連接在一起，形成一個大的多面體結構。磷原子與這些鉬氧團簇相連，使得整個晶體呈現出複雜而有序的結構。這種結構使得磷鉬酸在催化反應中能夠表現出優異的性能。
磷鉬酸作為一種絡合物，具有腐蝕性，並且具有酸的通性。這使得磷鉬酸在化學反應中能夠表現出強烈的催化作用。此外，H₃PO₄·12MoO₃還具有一些獨特的化學性質，如與一氧化碳以及氯化鈀混合後變藍，這一性質可以用於檢驗一氧化碳。H₃PO₄·12MoO₃的這些基本特性使得它在燃料電池的催化劑和碳間接電氧化介質中具有重要的應用價值。
磷鉬酸的生產方法主要涉及到化學反應的過程。一種常見的生產方法是將三氧化鉬加入到反應器中，並按一定的比例加入水進行攪拌。然後加入85%的磷酸（三氧化鉬與磷酸的摩爾比為12：1），並煮沸數小時。在反應過程中，溶液的顏色會發生變化，從乳白色變為金黃色，最後變為綠色。反應結束後，通過真空抽濾除去濾渣，再滴加過氧化氫溶液使溶液由綠色轉變為黃色。最後通過蒸發濃縮和冷卻結晶等步驟，得到磷鉬酸晶體。
磷鉬酸在燃料電池中的應用主要體現在兩個方面：一是作為燃料電池的催化劑，二是作為燃料電池碳間接電氧化的介質。
作為燃料電池的催化劑：磷鉬酸在燃料電池中可以作為催化劑使用，促進燃料（如氫氣）的氧化和氧氣的還原反應。由於H₃PO₄·12MoO₃具有優異的催化性能，因此可以提高燃料電池的效率和穩定性。此外，H₃PO₄·12MoO₃還可以與其他催化劑材料複合使用，以進一步提高燃料電池的性能。
作為燃料電池碳間接電氧化的介質：在燃料電池的碳間接電氧化過程中，磷鉬酸可以作為介質使用。研究表明，磷鉬酸中的+6價Mo可以將碳氧化形成+5價Mo，進而在碳布電極上實現電氧化過程。這一過程可以從碳材料上獲得電子並釋放到電極上，實現碳的低溫間接電氧化。通過對比不同碳材料的活性發現，椰殼活性炭的活性要高於煤和煤質活性炭。此外，光照和升溫等條件也可以提高磷鉬酸催化活性炭電氧化反應的性能。因此，H₃PO₄·12MoO₃在燃料電池的碳間接電氧化過程中具有重要的應用價值。
除了在燃料電池中的應用外，磷鉬酸還具有廣泛的用途。例如，它可以作為氧化-還原催化劑用於有機合成反應中；還可以作為分析試劑用於檢驗生物鹼、尿素、黃嘌呤等物質；此外還可以用於製備有機顏料、作為緩蝕劑等。這些應用使得磷鉬酸在化學、材料科學等領域具有重要的地位。
20.5.1 燃料電池催化劑用磷鉬酸
20.5.2 燃料電池碳間接電氧化介質用磷鉬酸
20.5.3 燃料電池用磷鉬酸的挑戰
20.6 鉬酸鑭在燃料電池中的應用
20.6.1 燃料電池電解質用鉬酸鑭
20.6.2 燃料電池電解質用鉬酸鑭的挑戰
20.7 鎳鉬合金在燃料電池中的應用
20.7.1 燃料電池催化劑用鎳鉬合金
20.7.2 燃料電池催化劑用鎳鉬合金的挑戰
20.8 鉑銅鉬三元合金在燃料電池中的應用
20.8.1 燃料電池催化劑用鉑銅鉬三元合金
20.8.2 燃料電池催化劑用鉑銅鉬三元合金的挑戰
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