科学家最大限度地提高了燃料电池中铂的效率

在《科学》杂志上，阿贡的化学家发现了一种新的催化剂，可以最大限度地提高铂的有效性。

铂是一种比银或金更稀有的贵金属。在燃料电池领域，它以有效地将氢和氧转化为水和电而闻名。铂为电化学反应提供了无与伦比的活性和稳定性。

但铂稀缺且昂贵，这意味着科学家们正在寻求制造实用的燃料电池催化剂，这种催化剂使用的贵金属要便宜得多。

美国能源部阿贡国家实验室的新研究发表在《科学》杂志上，科学家们发现了一种新的催化剂，它通过最大化铂的有效性，只使用了目前铂的四分之一。

如果一开始只给很少量的铂，就要充分利用，”——阿贡化学家刘迪佳。

在燃料电池中，铂有两种用途——将氢转化为质子和电子，打破氧键，最后形成水。后一种反应，即氧还原反应，需要特别大量的铂，科学家一直在寻找降低氧还原催化剂中铂含量的方法。

阿贡科学家发现了一种大大提高铂利用率的新方法。首先，他们调整了铂的形状，以最大限度地提高催化剂的可用性和反应性。在这种结构中，几层纯铂原子覆盖在钴-铂合金纳米颗粒的核心上，形成核壳结构。

撰写这项研究的阿贡化学家刘迪佳说：“如果一开始只给极少量的铂，就必须充分利用它。“使用Pt-Co核壳合金可以制造更多的催化活性粒子，并将其扩散到催化剂表面，但这只是第一步。”

当燃料电池需要增加电流时，核壳纳米粒子本身仍然无法处理大量的氧气。为了提高催化剂的效率，刘和他的同事们依靠他们从过去的研究中熟悉的另一种方法来生产具有催化活性的基底，该基底不包含铂族金属(PGM)作为钴-铂合金纳米粒子的载体。

以金属有机骨架为前驱体，刘及其同事可以制备出催化活性中心均匀分布在铂钴颗粒附近的钴氮碳复合基底。这些活性中心可以自行破坏氧键，与铂协同作用。

“你可以认为这有点像分子足球队，”刘说。“核壳纳米粒子的作用就像防御线，在整个领域非常薄，试图同时处理太多的氧分子。我们所做的是使‘场’本身具有催化作用，这有助于处理氧气。”

事实证明，与任何单一组分相比，新型组合催化剂不仅提高了活性，而且提高了耐久性。

刘和他的同事创造了一种专利工艺，首先加热含钴的金属有机框架。随着温度的升高，部分钴原子与有机物相互作用形成不含PGM的基底，而其他钴原子则还原成在整个基底中分散性良好的小金属团簇。加入铂后退火，形成铂钴核壳粒子，并被没有PGM的活性位点包围。

尽管最终目标是彻底消除氢燃料电池催化剂中的铂，但刘说，目前的研究为以经济有效的方式解决燃料电池催化剂的活性和耐久性开辟了新的方向。他说：“因为新催化剂只需要超低量的铂，类似于现有汽车催化转化器中使用的铂，它可以帮助缓解从传统内燃机到燃料电池汽车的过渡，而不会破坏铂供应链和市场。

该研究包括计算建模和高级结构表征，部分在阿尔贡的高级光子源和纳米材料中心以及能源部科学办公室的用户设施中完成。