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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(yīng)用

燃料電池，是一種將燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器，是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)，工作原理基于電化學(xué)反應(yīng)，通過燃料的氧化與氧化劑的還原反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。這一過程中，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)的限制，因此具有高效性。

燃料電池具有多種類型，如質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（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(yōu)點，被認為是將來車用燃料電池最理想的技術(shù)方案。

燃料電池圖片

近年來，燃料電池行業(yè)取得了顯著的發(fā)展。根據(jù)尚普咨詢集團的數(shù)據(jù)，2022年P(guān)EMFC系統(tǒng)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(tǒng)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(biāo)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(shù)的重要研發(fā)和應(yīng)用國家，近年來在氫燃料電池電堆技術(shù)方面取得了顯著進展。國內(nèi)部分領(lǐng)先自主品牌已在關(guān)鍵技術(shù)和工藝上實現(xiàn)突破，掌握核心技術(shù)和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，推動了更多氫燃料電池相關(guān)部件的國產(chǎn)化。在政府的大力推動下，國內(nèi)生產(chǎn)氫燃料電池電堆和氫燃料電池系統(tǒng)的公司正在加大研發(fā)投入，以期進一步提高技術(shù)水平和降低成本。

隨著全球?qū)η鍧嵞茉春涂沙掷m(xù)發(fā)展的追求，燃料電池的發(fā)展前景廣闊。燃料電池具備運行中零排放、高效率等優(yōu)異特性，是我國在交通運輸領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳排放的重要技術(shù)路線之一。特別是在汽車領(lǐng)域，氫燃料電池汽車因零排放、高載重、長續(xù)航、燃料補給快等優(yōu)勢，逐漸受到市場的青睞。隨著政府出臺應(yīng)對氣候變化和環(huán)境污染問題的政策，以及人們環(huán)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(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

三氧化鉬圖片

據(jù)中鎢在線/中鎢智造了解，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(fā)揮著重要作用。

三氧化鉬（MoO?）：在液態(tài)銀陽極-固體氧化物燃料電池中，三氧化鉬作為液態(tài)氧離子導(dǎo)體被引入陽極材料，以增加陽極內(nèi)氧離子輸運通道的數(shù)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(xué)測試結(jié)果表明，當(dāng)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（Mo?C）：在制備微生物燃料電池陽極中，碳化鉬作為催化劑被應(yīng)用于電極材料中。碳化鉬能夠催化氫氧化反應(yīng)，提高微生物燃料電池的電能輸出。與常規(guī)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(wěn)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(yīng)用潛力，但目前相關(guān)的研究和應(yīng)用相對較少。

農(nóng)用肥料圖片

20.1金屬鉬在燃料電池中的應(yīng)用

金屬鉬是一種銀白色的過渡金屬元素，位于元素周期表的第五周期第6族（鉻分族）。其原子序數(shù)為42，相對原子質(zhì)量為95.95。在常溫下，鉬是穩(wěn)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/立方厘米。此外，鉬還具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，電阻率較低，為5.2×10??歐姆·米（20℃）。

金屬鉬圖片

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(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，因此，鉬及其化合物在高溫條件下具有出色的耐熱性。

（2）優(yōu)良的導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性：鉬的導(dǎo)電性和導(dǎo)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?shù)膽?yīng)用中具有重要作用。

（3）耐腐蝕性：鉬在多種化學(xué)環(huán)境中都表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性，能夠抵抗酸、堿等化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。

（4）生物活性：鉬是生物體內(nèi)必需的微量元素之一，參與多種生物酶的合成和激活，對維持生物體的正常生理功能具有重要作用。

三氧化鉬圖片

金屬鉬的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）電池領(lǐng)域：燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有高效、環(huán)保等優(yōu)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。由于鉬具有優(yōu)良的催化性能，可以有效降低燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)活化能，提高反應(yīng)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(huán)境中能夠保持長期的穩(wěn)定性和可靠性。

（2）電子工業(yè)：金屬鉬在電子工業(yè)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在制造電子管、晶體管、集成電路等電子器件方面。鉬的優(yōu)良導(dǎo)電性和穩(wěn)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(yè)：鉬化合物在化工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如作為催化劑參與多種化學(xué)反應(yīng)，提高反應(yīng)速率和選擇性。此外，鉬還可用于生產(chǎn)多種化學(xué)品，如鉬酸鈉、氧化鉬等。

（4）航空航天領(lǐng)域：由于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(yīng)用于航空航天器的制造中，如發(fā)動機部件、高溫結(jié)構(gòu)件等。

（5）生物工業(yè)：鉬在生物體內(nèi)發(fā)揮著重要作用，因此，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)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(fā)育。同時，鉬還廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，如參與抗癌藥物的研發(fā)等。

（6）鋼鐵行業(yè)：鉬在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)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，鉬在制造高強度、高韌性、耐腐蝕的特種鋼材方面發(fā)揮著不可替代的作用。

燃料電池圖片

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(zhàn)

20.2 三氧化鉬納米線在燃料電池中的應(yīng)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(zhàn)

20.3 碳化鉬在燃料電池中的應(yīng)用

隨著全球能源危機的加劇和環(huán)境保護意識的提升，清潔、高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)成為了研究的熱點。燃料電池作為一種直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，因其高效率、低污染等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。在燃料電池的眾多催化劑中，碳化鉬因其獨特的性質(zhì)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(xué)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(wěn)定性和機械穩(wěn)定性、抗腐蝕性等特點而廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

碳化鉬圖片

碳化鉬晶體的結(jié)構(gòu)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(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)使得碳化鉬具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)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(zhì)使得MoC粉末在耐高溫、耐摩擦和耐化學(xué)腐蝕等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。碳化鉬粉末具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不溶于水和堿液，微溶于硝酸、硫酸和氫氟酸。此外，MoC粉末還具有類似貴金屬的電子結(jié)構(gòu)和催化特性，可用于多種催化反應(yīng)，如加氫氫解反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)、加氫脫硫反應(yīng)、加氫脫氮反應(yīng)等。

碳化鉬圖片

隨著化學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)開發(fā)出一系列合成方法來獲得納米級的純凈的碳化鉬粉末。以下是幾種常見的生產(chǎn)方法：

（1）程序升溫還原法：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(chǔ)材料。在反應(yīng)過程中，溫度緩慢升高以確保平衡催化速度。通過色譜法監(jiān)測尾氣的組成和含量，并據(jù)此評估反應(yīng)過程，及時停止與炭化原料的反應(yīng)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(tǒng)溫度在短時間內(nèi)達到設(shè)定值，從而縮短MoC的制備時間。該方法可以有效抑制熱粒子現(xiàn)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：其是將凝膠加熱并在60℃～80℃蒸發(fā)，然后在850℃的氫氣中加熱14h，得到六方MoC。該方法操作簡單，易于控制產(chǎn)品的純度和粒度。

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(yīng)。由于碳化鉬具有類似貴金屬的電子結(jié)構(gòu)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(huán)境中保持穩(wěn)定的性能。

除了燃料電池外，碳化鉬粉末還可用于制備光催化劑、CO2還原等。在光催化劑中，碳化鉬可以吸收光能，產(chǎn)生光生電子和空穴，促進光催化反應(yīng)。在CO2還原中，碳化鉬可以催化CO2與氫反應(yīng)生成甲烷等，有助于實現(xiàn)碳的循環(huán)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(zhàn)

20.4 氮化鉬在燃料電池中的應(yīng)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(zhàn)

20.5 磷鉬酸在燃料電池中的應(yīng)用

燃料電池作為一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置，近年來受到了廣泛關(guān)注。在燃料電池的研究與開發(fā)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(fā)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(zhì)展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

磷鉬酸（Phosphomolybdic Acid，簡稱PMA），是一種絡(luò)合物，具有腐蝕性，同時表現(xiàn)出酸的通性。其化學(xué)式為H?PO?·12MoO?（有時也寫為24MoO?·P?O?·3H?O），分子量為1825.254。磷鉬酸在外觀上呈現(xiàn)為嫩黃色或桔黃色的棱形結(jié)晶或結(jié)晶粉末，可溶于水和乙醇、乙醚等有機溶劑。其熔點范圍在78-90°C之間，密度為1.62 g/mL（在25°C下）。

磷鉬酸圖片

磷鉬酸的晶體結(jié)構(gòu)獨特且復(fù)雜。其基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。這些四面體通過共享頂點的方式連接在一起，形成一個大的多面體結(jié)構(gòu)。磷原子與這些鉬氧團簇相連，使得整個晶體呈現(xiàn)出復(fù)雜而有序的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得磷鉬酸在催化反應(yīng)中能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

磷鉬酸作為一種絡(luò)合物，具有腐蝕性，并且具有酸的通性。這使得磷鉬酸在化學(xué)反應(yīng)中能夠表現(xiàn)出強烈的催化作用。此外，H?PO?·12MoO?還具有一些獨特的化學(xué)性質(zhì)，如與一氧化碳以及氯化鈀混合后變藍，這一性質(zhì)可以用于檢驗一氧化碳。H?PO?·12MoO?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(zhì)中具有重要的應(yīng)用價值。

磷鉬酸的生產(chǎn)方法主要涉及到化學(xué)反應(yīng)的過程。一種常見的生產(chǎn)方法是將三氧化鉬加入到反應(yīng)器中，并按一定的比例加入水進行攪拌。然后加入85%的磷酸（三氧化鉬與磷酸的摩爾比為12：1），并煮沸數(shù)小時。在反應(yīng)過程中，溶液的顏色會發(fā)生變化，從乳白色變?yōu)榻瘘S色，最后變?yōu)榫G色。反應(yīng)結(jié)束后，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(zhuǎn)變?yōu)辄S色。最后通過蒸發(fā)濃縮和冷卻結(jié)晶等步驟，得到磷鉬酸晶體。

磷鉬酸圖片

磷鉬酸在燃料電池中的應(yīng)用主要體現(xiàn)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(zhì)。

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(yīng)。由于H?PO?·12MoO?具有優(yōu)異的催化性能，因此可以提高燃料電池的效率和穩(wěn)定性。此外，H?PO?·12MoO?還可以與其他催化劑材料復(fù)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(zhì)：在燃料電池的碳間接電氧化過程中，磷鉬酸可以作為介質(zhì)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(xiàn)電氧化過程。這一過程可以從碳材料上獲得電子并釋放到電極上，實現(xiàn)碳的低溫間接電氧化。通過對比不同碳材料的活性發(fā)現(xiàn)，椰殼活性炭的活性要高于煤和煤質(zhì)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(yīng)的性能。因此，H?PO?·12MoO?在燃料電池的碳間接電氧化過程中具有重要的應(yīng)用價值。

除了在燃料電池中的應(yīng)用外，磷鉬酸還具有廣泛的用途。例如，它可以作為氧化-還原催化劑用于有機合成反應(yīng)中；還可以作為分析試劑用于檢驗生物堿、尿素、黃嘌呤等物質(zhì)；此外還可以用于制備有機顏料、作為緩蝕劑等。這些應(yīng)用使得磷鉬酸在化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)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(zhì)用磷鉬酸

20.5.3 燃料電池用磷鉬酸的挑戰(zhàn)

20.6 鉬酸鑭在燃料電池中的應(yīng)用

20.6.1 燃料電池電解質(zhì)用鉬酸鑭

20.6.2 燃料電池電解質(zhì)用鉬酸鑭的挑戰(zhàn)

20.7 鎳鉬合金在燃料電池中的應(yīng)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(zhàn)

20.8 鉑銅鉬三元合金在燃料電池中的應(yīng)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(zhàn)