鉑金是一種比銀或金更稀有的貴金屬。在燃料電池領(lǐng)域因其將氫和氧轉(zhuǎn)化為水和電的有效性而聞名，鉑為電化學(xué)反應(yīng)提供了無與倫比的活性和穩(wěn)定性。

但鉑金既稀缺又昂貴，這意味著科學(xué)家們正在尋求制造實(shí)用的燃料電池催化劑，這種催化劑使用的昂貴貴金屬少得多。

美國能源部(DOE)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的新研究發(fā)表在“科學(xué)”雜志上，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的催化劑，它通過最大限度地提高鉑金的有效性，僅使用了大約四分之一的鉑金。

如果你首先只給予極少量的鉑金，你必須充分利用它，“ - Di-Jia Liu，Argonne化學(xué)家。

在燃料電池中，鉑有兩種使用方式 - 將氫轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子，并破壞氧鍵并最終形成水。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)了大幅提高鉑金利用率的新方法。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。在這種配置中，幾層純鉑原子覆蓋鈷 - 鉑合金納米顆粒核心以形成核 - 殼結(jié)構(gòu)。

“如果你首先只給予極少量的鉑金，你必須充分利用它，”該研究的相應(yīng)作者阿格納化學(xué)家劉迪嘉說。“使用鉑鈷核殼合金可以讓我們制造更多的催化活性顆粒，擴(kuò)散到催化劑表面，但這只是第一步。”

當(dāng)燃料電池需要提高電流時(shí)，核殼納米顆粒本身仍然無法處理大量氧氣。為了提高催化劑的效率，Liu和他的同事依靠他們從過去的研究中熟知的另一種方法，生產(chǎn)出具有催化活性的不含鉑族金屬(不含PGM)的底物作為鈷 - 鉑合金納米粒子的載體。 。

使用金屬 - 有機(jī)骨架作為前體，Liu和他的同事們能夠制備鈷 - 氮 - 碳復(fù)合襯底，其中催化活性中心均勻分布在鉑 - 鈷顆粒附近。這些活性中心能夠自身破壞氧鍵并與鉑協(xié)同作用。

“你可以認(rèn)為它有點(diǎn)像分子足球隊(duì)，”劉說。“核 - 殼納米粒子的作用就像防守線條一樣，在整個(gè)場(chǎng)地中都很薄，試圖同時(shí)處理太多的氧分子。我們所做的就是讓'場(chǎng)'本身具有催化活性，能夠幫助處理氧氣。“

事實(shí)證明，與單獨(dú)的任一組分相比，新的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，首先加熱含鈷金屬 - 有機(jī)骨架。隨著溫度升高，一些鈷原子與有機(jī)物相互作用以形成不含PGM的基底，而其它鈷原子在整個(gè)基底中被還原成良好分散的小金屬簇。在加入鉑然后退火后，形成鉑 - 鈷核 - 殼顆粒并被不含PGM的活性位點(diǎn)包圍。

雖然最終目標(biāo)是完全從氫燃料電池催化劑中消除鉑，但劉說，目前的研究開辟了一個(gè)新的方向，以經(jīng)濟(jì)有效的方式解決燃料電池催化劑活性和耐久性。“由于新催化劑只需要超低含量的鉑，類似于現(xiàn)有汽車催化轉(zhuǎn)化器中使用的鉑，它可以幫助減輕從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)到燃料電池汽車的過渡，而不會(huì)破壞鉑金供應(yīng)鏈和市場(chǎng)，”他說過。