鈀納米復(fù)合材料是由科學(xué)家Francis Verpoort教授帶領(lǐng)團隊研發(fā)的一款新材料，在氫氣儲存、純化和應(yīng)用方面都表現(xiàn)出了極高的效能。鈀納米復(fù)合材料中的核心物質(zhì)“鈀”既是一種稀有貴金屬，也是一種多功能催化劑，可吸附相當(dāng)于自身體積900倍的氫氣，在化學(xué)合成和燃料電池技術(shù)中具有關(guān)鍵作用。

傳統(tǒng)的鈀基催化劑成本高昂、供應(yīng)有限，不足以滿足工業(yè)生產(chǎn)對鈀基催化劑性能和效率的需求，F(xiàn)rancis Verpoort教授團隊提出將鈀納米顆粒融入復(fù)合材料的方案，以實現(xiàn)鈀基催化活性的最大化，并降低材料消耗和增強催化劑穩(wěn)定性。

目前，該鈀納米復(fù)合材料技術(shù)已成功突破實驗室階段，進(jìn)入中試生產(chǎn)，并在催化應(yīng)用、能源儲存、環(huán)境修復(fù)、電子器件、生物醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用。

2024年11月在西安舉行的2024年鉑族金屬創(chuàng)新應(yīng)用百人論壇上也傳遞出強烈的市場需求信號：“在高科技產(chǎn)業(yè)、微電子和綠色能源的驅(qū)動下，中國國內(nèi)市場對鉑族金屬的需求預(yù)計將保持強勁態(tài)勢，到2035年，中國預(yù)計將消耗150-160噸的鉑族金屬。”作為鉑族金屬元素之一，鈀金及其相關(guān)材料都具有廣大的應(yīng)用前景和商業(yè)潛力，尤其是在低碳領(lǐng)域和數(shù)字化場景。

為此，新材料在線^?對話武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室首席教授Francis Verpoort，了解鈀基納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展和在多個領(lǐng)域的應(yīng)用情況。以下為采訪實錄：

新材料在線^?：鈀金是鈀納米復(fù)合材料的核心物質(zhì)，請Francis Verpoort教授介紹下鈀金的特性及其下游應(yīng)用。

Prof. Francis Verpoort：鈀（Pd）是一種稀有的、不可再生的過渡金屬，屬于鉑族金屬（PGMs），主要來源包括俄羅斯、南非和北美的礦區(qū)，目前全球主要生產(chǎn)企業(yè)包括諾尼可公司、斯蒂爾沃特公司、英美鉑業(yè)公司、英帕拉鉑業(yè)公司、淡水河谷公司等；

鈀具有抗腐蝕性、多功能催化活性、可鍛性和延展性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性等特性，在汽車、電子、化工、環(huán)境、醫(yī)療等多個工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，尤其是在氫能經(jīng)濟、納米技術(shù)和可持續(xù)化學(xué)等新興領(lǐng)域的應(yīng)用，預(yù)示著又一波創(chuàng)新浪潮的到來。

新材料在線^?：請您介紹一下“鈀納米復(fù)合材料”課題的成立背景以及目前的研究進(jìn)展？

Prof. Francis Verpoort：鈀納米復(fù)合材料具有獨特的催化、電子和光學(xué)特性，是多種工業(yè)和技術(shù)應(yīng)用中的重要材料。盡管傳統(tǒng)的鈀催化劑在催化反應(yīng)中表現(xiàn)優(yōu)異，但仍面臨高成本和有限供應(yīng)等挑戰(zhàn)。

在此背景下，我們對鈀納米復(fù)合材料的研究源于提升鈀基催化劑性能和效率的需求。我們將鈀納米顆粒融入復(fù)合材料，納米復(fù)合材料通過提供更大的表面積和更快的反應(yīng)動力學(xué)來增強特性，比如最大化催化活性、降低材料消耗并增強催化劑穩(wěn)定性。這一方法還為傳感器、能源存儲及環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的可能性。

近年來，我們的研究主要集中于鈀納米復(fù)合材料的合成、表征及其應(yīng)用，包括催化作用、能源存儲、傳感器、生物醫(yī)療。目前，我們的研究在于優(yōu)化鈀納米復(fù)合材料的合成方法、提升功能特性，并擴大鈀納米復(fù)合材料在各個領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

新材料在線^?：“鈀納米復(fù)合材料”技術(shù)目前處于什么階段，是在實驗室課題研究階段，還是已經(jīng)具備中試生產(chǎn)能力？在應(yīng)用端是否已有成功案例？

Prof. Francis Verpoort：目前進(jìn)展很不錯，鈀納米復(fù)合材料技術(shù)已從實驗室研究逐步發(fā)展到中試生產(chǎn)，我們的研究人員開發(fā)了活性高且穩(wěn)定的催化劑，就是將鈀納米顆粒沉積在球形的碳載體上，做成非均相催化劑，適用于活性藥物成分（API）生產(chǎn)中的中試規(guī)模連續(xù)流動填充床反應(yīng)器。

經(jīng)過合作驗證，證實了鈀納米復(fù)合材料已在多個領(lǐng)域得到了有效應(yīng)用。比如在新能源汽車領(lǐng)域，鈀/聚苯胺納米復(fù)合材料可以作為超級電容器電極，用于混合動力和電動汽車的能源存儲設(shè)備，能夠顯著提升充放電循環(huán)壽命，進(jìn)而提高設(shè)備的耐用性；鈀納米顆粒可以在燃料電池中充當(dāng)催化劑，廣泛應(yīng)用于零排放車輛和固定式電力系統(tǒng)；此外，鈀的高催化效率有助于減少貴金屬的使用量，從而有效降低成本。

在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，鈀納米顆粒能夠高效降解有機污染物，如氯代烴，將其轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，另外還能夠促進(jìn)二氧化碳轉(zhuǎn)化為具有高附加值的產(chǎn)品，如環(huán)狀碳酸酯或碳?xì)浠衔铮瑥亩沙掷m(xù)化學(xué)生產(chǎn)和溫室氣體減排；而且，鈀納米顆粒可重復(fù)使用，在大規(guī)模應(yīng)用中表現(xiàn)出顯著的成本效益。

新材料在線^?：據(jù)我們了解，鈀納米復(fù)合材料能解決氫能與燃料電池方面的問題，請您具體介紹一下鈀納米復(fù)合材料在氫能與燃料電池方面的應(yīng)用？

Prof. Francis Verpoort：我先回答氫能應(yīng)用，鈀納米復(fù)合材料在氫能方面的應(yīng)用分為三種。

首先是氫氣儲存。鈀納米復(fù)合材料在氫氣儲存方面表現(xiàn)出極高的效能，這得益于鈀能夠可逆地吸附和解吸氫氣的特性，當(dāng)鈀暴露于氫氣時，會形成鈀氫化物（PdHx），從而實現(xiàn)安全高效的儲存。因此，可以用于氫氣加注站、便攜儲能設(shè)備等氫氣儲存系統(tǒng)，以確保氫氣的快速和安全釋放，并且在多次儲存-釋放循環(huán)中具有良好的穩(wěn)定性。

其次是氫氣凈化。鈀能夠選擇性地讓氫原子滲透，同時阻擋一氧化碳、二氧化碳和氮氣等其他氣體，而納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計增強了其滲透性和選擇性。因此，鈀納米復(fù)合材料適用于膜反應(yīng)器中生產(chǎn)超純氫氣，當(dāng)集成到預(yù)處理單元時，可以確保只有純氫氣被送入燃料電池系統(tǒng)，高純度氫氣（>99.99%）能夠減少燃料電池的衰減。

再者是氫氣檢測。鈀納米復(fù)合材料對氫氣具有極高的敏感性，當(dāng)暴露于氫氣時，鈀納米復(fù)合材料的電阻或光學(xué)特性會發(fā)生變化，因此可以用于氫能源系統(tǒng)的安全監(jiān)控。

最后是在燃料電池方面的應(yīng)用。鈀納米復(fù)合材料在燃料電池中主要是作為經(jīng)濟催化劑使用，在確保高效能量轉(zhuǎn)化的同時保證電池的耐用性。目前主要有兩類應(yīng)用：一是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），鈀納米復(fù)合材料可部分替代鉑，從而降低成本，同時保持良好的性能；二是堿性燃料電池（AFC），鈀在堿性環(huán)境下具有較高的活性，因此特別適用于這些系統(tǒng)。

這兩類應(yīng)用偏向傳統(tǒng)的汽車應(yīng)用，但在新興領(lǐng)域，鈀納米復(fù)合材料還可以用于制作大規(guī)模氫氣燃料電池，為醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心及可再生能源電網(wǎng)（固定電力系統(tǒng)）等關(guān)鍵應(yīng)用提供備用電力。此外，鈀納米復(fù)合材料還被集成至便攜式燃料電池中，為電子設(shè)備、軍事裝備以及離網(wǎng)能源系統(tǒng)（便攜能源設(shè)備）提供電力。

新材料在線^?：您對鈀納米復(fù)合材料技術(shù)的未來發(fā)展有哪些暢想，比如技術(shù)優(yōu)化以及應(yīng)用層面？

Prof. Francis Verpoort：我相信，鈀納米復(fù)合材料將在現(xiàn)代材料科學(xué)與技術(shù)中發(fā)揮變革性作用。鈀納米復(fù)合材料獨特的特性，包括卓越的催化活性、氫選擇性和化學(xué)穩(wěn)定性，使它成為各行業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵支撐。

在技術(shù)優(yōu)化方面，鈀納米復(fù)合材料的發(fā)展需要在合成工藝、性能優(yōu)化和成本效益方面持續(xù)改進(jìn)。我們需要不斷優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)，如核殼結(jié)構(gòu)、空心球和多孔框架，使材料的比表面積、催化活性和穩(wěn)定性趨于最大化；我們還需要開發(fā)具有可調(diào)選擇性的納米復(fù)合材料，從而在定制化應(yīng)用中實現(xiàn)最佳效果。更重要的是，開發(fā)成本效益高且環(huán)保的合成方法，如綠色化學(xué)途徑或物理沉積技術(shù)，推動鈀納米復(fù)合材料的生產(chǎn)規(guī)模化，同時開發(fā)高效的鈀基材料回收系統(tǒng)，降低長期成本并減少對原料鈀的依賴，從而提高可持續(xù)性。

在應(yīng)用前景方面，鈀納米復(fù)合材料的未來在于將其應(yīng)用拓展到各個行業(yè)，充分發(fā)揮其多功能性和創(chuàng)新潛力。

比如能源領(lǐng)域，推進(jìn)氫氣存儲系統(tǒng)和膜技術(shù)的研發(fā)，這是支持全球向氫氣作為清潔能源載體轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵；推動可再生能源系統(tǒng)的研發(fā)，以促進(jìn)綠色氫氣的生產(chǎn)，從而推動能源領(lǐng)域的脫碳。鈀納米復(fù)合材料還將廣泛應(yīng)用于二氧化碳轉(zhuǎn)化技術(shù)中，以生產(chǎn)有價值的化學(xué)品和燃料，為應(yīng)對氣候變化貢獻(xiàn)力量。

再如化工行業(yè)，鈀納米復(fù)合材料正逐漸取代傳統(tǒng)催化系統(tǒng)，在可持續(xù)化學(xué)合成中得到廣泛應(yīng)用，包括氨合成、加氫反應(yīng)和制藥生產(chǎn)等多個領(lǐng)域。此外，鈀催化劑在高性能聚合物和塑料的生產(chǎn)中也越來越多地被使用，特別是在醫(yī)用器械和航空航天部件等特殊應(yīng)用領(lǐng)域。

總而言之，我們的目標(biāo)是將鈀納米復(fù)合材料確立為全球各行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)材料，以推動可持續(xù)性、效率和創(chuàng)新。努力應(yīng)優(yōu)先支持與全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)相一致的技術(shù)，包括碳中和與可持續(xù)的循環(huán)經(jīng)濟，并在產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府之間建立合作伙伴關(guān)系，促進(jìn)鈀納米復(fù)合材料的規(guī)模化應(yīng)用。此外，促進(jìn)跨學(xué)科研究將揭示量子計算、生物技術(shù)和先進(jìn)制造等新興領(lǐng)域中的創(chuàng)新應(yīng)用。

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