科學(xué)家最大限度地提高了燃料電池中鉑的效率

在《科學(xué)》雜志上，阿貢的化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的催化劑，可以最大限度地提高鉑的有效性。

鉑是一種比銀或金更稀有的貴金屬。在燃料電池領(lǐng)域，它以有效地將氫和氧轉(zhuǎn)化為水和電而聞名。鉑為電化學(xué)反應(yīng)提供了無與倫比的活性和穩(wěn)定性。

但鉑稀缺且昂貴，這意味著科學(xué)家們正在尋求制造實用的燃料電池催化劑，這種催化劑使用的貴金屬要便宜得多。

美國能源部阿貢國家實驗室的新研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新的催化劑，它通過最大化鉑的有效性，只使用了目前鉑的四分之一。

如果一開始只給很少量的鉑，就要充分利用，”——阿貢化學(xué)家劉迪佳。

在燃料電池中，鉑有兩種用途——將氫轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子，打破氧鍵，最后形成水。后一種反應(yīng)，即氧還原反應(yīng)，需要特別大量的鉑，科學(xué)家一直在尋找降低氧還原催化劑中鉑含量的方法。

阿貢科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種大大提高鉑利用率的新方法。首先，他們調(diào)整了鉑的形狀，以最大限度地提高催化劑的可用性和反應(yīng)性。在這種結(jié)構(gòu)中，幾層純鉑原子覆蓋在鈷-鉑合金納米顆粒的核心上，形成核殼結(jié)構(gòu)。

撰寫這項研究的阿貢化學(xué)家劉迪佳說：“如果一開始只給極少量的鉑，就必須充分利用它。“使用Pt-Co核殼合金可以制造更多的催化活性粒子，并將其擴散到催化劑表面，但這只是第一步?！?

當燃料電池需要增加電流時，核殼納米粒子本身仍然無法處理大量的氧氣。為了提高催化劑的效率，劉和他的同事們依靠他們從過去的研究中熟悉的另一種方法來生產(chǎn)具有催化活性的基底，該基底不包含鉑族金屬(PGM)作為鈷-鉑合金納米粒子的載體。

以金屬有機骨架為前驅(qū)體，劉及其同事可以制備出催化活性中心均勻分布在鉑鈷顆粒附近的鈷氮碳復(fù)合基底。這些活性中心可以自行破壞氧鍵，與鉑協(xié)同作用。

“你可以認為這有點像分子足球隊，”劉說?！昂藲ぜ{米粒子的作用就像防御線，在整個領(lǐng)域非常薄，試圖同時處理太多的氧分子。我們所做的是使‘場’本身具有催化作用，這有助于處理氧氣?！?

事實證明，與任何單一組分相比，新型組合催化劑不僅提高了活性，而且提高了耐久性。

劉和他的同事創(chuàng)造了一種專利工藝，首先加熱含鈷的金屬有機框架。隨著溫度的升高，部分鈷原子與有機物相互作用形成不含PGM的基底，而其他鈷原子則還原成在整個基底中分散性良好的小金屬團簇。加入鉑后退火，形成鉑鈷核殼粒子，并被沒有PGM的活性位點包圍。

盡管最終目標是徹底消除氫燃料電池催化劑中的鉑，但劉說，目前的研究為以經(jīng)濟有效的方式解決燃料電池催化劑的活性和耐久性開辟了新的方向。他說：“因為新催化劑只需要超低量的鉑，類似于現(xiàn)有汽車催化轉(zhuǎn)化器中使用的鉑，它可以幫助緩解從傳統(tǒng)內(nèi)燃機到燃料電池汽車的過渡，而不會破壞鉑供應(yīng)鏈和市場。

該研究包括計算建模和高級結(jié)構(gòu)表征，部分在阿爾貢的高級光子源和納米材料中心以及能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施中完成。

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