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第Ⅲ部分鉬在新能源電池市場(chǎng)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)電之後的第四種發(fā)電技術(shù)，工作原理基於電化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)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(guò)程中，不受卡諾迴圈效應(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）、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(zhǎng)、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是將來(lái)車用燃料電池最理想的技術(shù)方案。

燃料電池圖片

近年來(lái)，燃料電池行業(yè)取得了顯著的發(fā)展。根據(jù)尚普諮詢集團(tuán)的資料，2022年P(guān)EMFC系統(tǒng)的功率密度達(dá)到了5.0千瓦/升，比2010年的1.5千瓦/升提高了233%。同時(shí)，PEMFC系統(tǒng)的耐久性也從2010年的2500小時(shí)增加到了2022年的7000小時(shí)，可靠性則從95%提高到了99.5%。這些指標(biāo)的提升，無(wú)疑增強(qiáng)了燃料電池的實(shí)用性和競(jìng)爭(zhēng)力。

中國(guó)作為燃料電池技術(shù)的重要研發(fā)和應(yīng)用國(guó)家，近年來(lái)在氫燃料電池電堆技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)展。國(guó)內(nèi)部分領(lǐng)先自主品牌已在關(guān)鍵技術(shù)和工藝上實(shí)現(xiàn)突破，掌握核心技術(shù)和擁有自主智慧財(cái)產(chǎn)權(quán)，推動(dòng)了更多氫燃料電池相關(guān)部件的國(guó)產(chǎn)化。在政府的大力推動(dòng)下，國(guó)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(jìn)一步提高技術(shù)水準(zhǔn)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(yùn)行中零排放、高效率等優(yōu)異特性，是我國(guó)在交通運(yùn)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(zhǎng)續(xù)航、燃料補(bǔ)給快等優(yōu)勢(shì)，逐漸受到市場(chǎng)的青睞。隨著政府出臺(tái)應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境污染問(wèn)題的政策，以及人們環(huán)保意識(shí)的提高，氫燃料電池汽車的需求將進(jìn)一步增長(zhǎng)，從而促進(jìn)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(fā)揮著重要作用。

三氧化鉬（MoO?）：在液態(tài)銀陽(yáng)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(yáng)極材料，以增加陽(yáng)極內(nèi)氧離子輸運(yùn)通道的數(shù)量，提高陽(yáng)極的氧輸運(yùn)速率，從而提升燃料電池的性能。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)三氧化鉬與銀的摩爾比為10%時(shí)，燃料電池的最大功率密度達(dá)到16.82mW/cm2，較純銀陽(yáng)極提升了75.6%。

碳化鉬（Mo?C）：在製備微生物燃料電池陽(yáng)極中，碳化鉬作為催化劑被應(yīng)用於電極材料中。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(jià)格低廉，來(lái)源廣泛，且以碳化鉬為陽(yáng)極催化劑組裝的微生物燃料電池可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)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(duì)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(guò)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(shù)為42，相對(duì)原子品質(zhì)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(diǎn)極高，達(dá)到2622℃，沸點(diǎn)為4825℃。鉬的密度相對(duì)較大，為10.28克/立方釐米。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℃）。

金屬鉬的基本特點(diǎn)

（1）高熔點(diǎn)與高耐熱性：鉬的高熔點(diǎn)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啟動(dòng)，對(duì)維持生物體的正常生理功能具有重要作用。

金屬鉬圖片

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(diǎn)。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(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(shí)，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(zhǎng)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)在製造電子管、電晶體、積體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，鉬還可用於生產(chǎn)多種化學(xué)品，如鉬酸鈉、氧化鉬等。

（4）航空航太領(lǐng)域：由於鉬及其合金具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的耐高溫性能，因此被廣泛應(yīng)用於航空航天器的製造中，如發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)植物的生長(zhǎng)和動(dòng)物的發(fā)育。同時(shí)，鉬還廣泛應(yīng)用於生物醫(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(guò)添加鉬元素，可以顯著提高鋼的強(qiáng)度、韌性、耐磨性和耐腐蝕性等性能。因此，鉬在製造高強(qiáng)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。

三氧化鉬圖片

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(yáng)極用三氧化鉬納米線

20.2.2燃料電池陽(yáng)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(jī)的加劇和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升，清潔、高效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)。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(diǎn)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(dú)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(diǎn)（2690℃）和密度（9.18g/cm3）。作為一種功能材料，MoC粉末因其高熔點(diǎn)、硬度、良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性、抗腐蝕性等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用於各個(gè)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(gè)鉬原子都與六個(gè)相鄰的鉬原子形成共價(jià)鍵，形成了一個(gè)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(jià)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(jī)械穩(wěn)定性。

碳化鉬粉末的密度高（9.18g/cm3），熔點(diǎn)高（2690℃），硬度大，耐磨性強(qiáng)。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(jié)構(gòu)和催化特性，可用於多種催化反應(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(kāi)發(fā)出一系列合成方法來(lái)獲得納米級(jí)的純淨(jìng)的碳化鉬粉末。以下是幾種常見(jiàn)的生產(chǎn)方法：

（1）程式升溫還原法：它是實(shí)驗(yàn)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(guò)程中，溫度緩慢升高以確保平衡催化速度。通過(guò)色譜法監(jiān)測(cè)尾氣的組成和含量，並據(jù)此評(píng)估反應(yīng)過(guò)程，及時(shí)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(diǎn)，使系統(tǒng)溫度在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定值，從而縮短MoC的製備時(shí)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：其是將凝膠加熱並在60℃～80℃蒸發(fā)，然後在850℃的氫氣中加熱14h，得到六方MoC。該方法操作簡(jiǎn)單，易於控制產(chǎn)品的純度和細(xì)微性。

碳化鉬圖片

在燃料電池中，碳化鉬可以作為電極的催化劑，促進(jìn)氫氧化反應(yīng)。由於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(yùn)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(chǎn)生光生電子和空穴，促進(jìn)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，有助於實(shí)現(xiàn)碳的迴圈利用。

20.3.1 燃料電池陽(yáng)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(yáng)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(lái)受到了廣泛關(guān)注。在燃料電池的研究與開(kāi)發(fā)中，催化劑的選擇對(duì)燃料電池的性能具有決定性的影響。磷鉬酸作為一種獨(dú)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(guò)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(jiǎn)稱PMA），是一種絡(luò)合物，具有腐蝕性，同時(shí)表現(xiàn)出酸的通性。其化學(xué)式為H?PO?·12MoO?（有時(shí)也寫(xiě)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(jī)溶劑。其熔點(diǎn)範(fàn)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(dú)特且複雜。其基本結(jié)構(gòu)由磷中心和12個(gè)鉬氧團(tuán)簇組成。每個(gè)鉬氧團(tuán)簇由一個(gè)中心鉬原子和6個(gè)氧原子組成，形成一個(gè)四面體結(jié)構(gòu)。這些四面體通過(guò)共用頂點(diǎn)的方式連接在一起，形成一個(gè)大的多面體結(jié)構(gòu)。磷原子與這些鉬氧團(tuán)簇相連，使得整個(gè)晶體呈現(xiàn)出複雜而有序的結(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，並且具有酸的通性。這使得磷鉬酸在化學(xué)反應(yīng)中能夠表現(xiàn)出強(qiáng)烈的催化作用。此外，H?PO?·12MoO?還具有一些獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，如與一氧化碳以及氯化鈀混合後變藍(lán)，這一性質(zhì)可以用於檢驗(yàn)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(jià)值。

磷鉬酸的生產(chǎn)方法主要涉及到化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程。一種常見(jiàn)的生產(chǎn)方法是將三氧化鉬加入到反應(yīng)器中，並按一定的比例加入水進(jìn)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(shù)小時(shí)。在反應(yīng)過(guò)程中，溶液的顏色會(huì)發(fā)生變化，從乳白色變?yōu)榻瘘S色，最後變?yōu)榫G色。反應(yīng)結(jié)束後，通過(guò)真空抽濾除去濾渣，再滴加過(guò)氧化氫溶液使溶液由綠色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色。最後通過(guò)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(gè)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(jìn)燃料（如氫氣）的氧化和氧氣的還原反應(yīng)。由於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複合使用，以進(jìn)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(guò)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(jià)Mo可以將碳氧化形成+5價(jià)Mo，進(jìn)而在碳布電極上實(shí)現(xiàn)電氧化過(guò)程。這一過(guò)程可以從碳材料上獲得電子並釋放到電極上，實(shí)現(xiàn)碳的低溫間接電氧化。通過(guò)對(duì)比不同碳材料的活性發(fā)現(xiàn)，椰殼活性炭的活性要高於煤和煤質(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(guò)程中具有重要的應(yīng)用價(jià)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-還原催化劑用於有機(jī)合成反應(yīng)中；還可以作為分析試劑用於檢驗(yàn)生物鹼、尿素、黃嘌呤等物質(zhì)；此外還可以用於製備有機(jī)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)