美國科研人員開發納米催化劑 大幅降低燃料電池成本

氫燃料電池汽車推廣的最大障礙在于鉑的高昂價格和稀少的產量。這種昂貴的金屬對于燃料電池陰極的氧化還原反應尤其重要。在陰極，來自聚合物膜的質子、空氣中的氧原子和來自電線的電子結合形成產物水。

最近，來自LBNL勞倫斯伯克利國家實驗室和ANL阿貢國家實驗室的化學家和材料科學家團隊開發了一種創新的三維“納米框架”催化劑，該催化劑在催化陽極氧化反應方面具有前所未有的性能，甚至大大超過了美國能源部2017年預測的技術水平。

這種雙金屬催化劑由鉑和鎳組成，具有中空、活性高、內外表面尺寸大的特點，使其效率和成本遠優于目前的催化劑產品。

這種催化劑也可以在堿性水解槽中工作，將水分解為氧氣和氫氣。根據功耗的不同，它將來也可以用作氫氣制備裝置。堿性水解槽中有兩個被膜隔開的電極，它們浸入以氫氧化鉀為成分的堿性電解質中。研究人員將新型催化劑的性能與傳統鉑碳催化劑的性能進行了比較，發現新型催化劑性能提高了一個數量級。

近年來，世界各地的研究主要集中在將鉑與其他更便宜的金屬合金化，這可以降低催化劑的價格并保持性能不變。另一種改進方法是開發中空、籠狀和多孔材料，以便在其中添加少量的貴金屬催化劑。領導該項目的LBNL實驗室化學家、加州大學伯克利分校教授楊培東（Peidong Yang）表示，這種非傳統的幾何結構使得定量改善物理和化學財產更加方便。

新型雙金屬納米“籠”

楊培東說：“我們十年前就開始研究納米粒子催化劑的溶解過程。起初，我們主要關注單一元素，如鉑，并分析尺寸和形狀對催化劑性能的影響。但隨著研究的發展，我們越來越關注雙金屬催化劑，如鉑鎳、鉑銅等。三四年前，我的兩位博士后在將鉑鎳樣品放入溶劑中時觀察到了一個意想不到的現象：他們發現雙金屬納米顆粒樣品在兩周后逐漸形成了新的形狀。這對我們來說是一個意想不到的收獲，但當我們觀察到三維納米框架結構的表面覆蓋著催化位點時，我們肯定發現了一些有價值的東西。"

伯克利的研究人員隨后查閱了現有文獻，發現ANL實驗室的化學家Vojislav Stamenkovic對大容量單晶催化劑基體做了大量研究。基于Vojislav的研究，可以得出結論，雙金屬材料也將是有前途的電化學催化劑。

空心結構

研究發現，溶液中的起始材料固態PtNi3多面體會轉化為PtNi中間體，然后通過內部腐蝕轉化為Pt3Ni納米框架，氧原子可以穿過它。PtNi3多邊形的邊緣由高濃度的鉑組成，這也保存在后來的Pt3Ni納米框架中。最初的多面體由三個鎳原子和一個鉑原子組成，而最終的納米框架正好相反。

斯塔緬科維奇說：“多面體是一種常見的納米結構，多年來一直被用于催化劑研究。但我們的研究表明了其他解決方案的可能性。通過框架結構，我們將結構完全向外界開放，并去除材料中只占體積但沒有功能的埋原子。最終，仍有相當數量的催化劑c位點，它們位于框架表面的各處，可以從多個方向接近。"

用氧氣溶解的溶劑會在多面體內部產生溶解作用，最終形成中空的十二面體納米框架結構。通過提高反應溫度，反應時間從兩周縮短到12小時。

A……

er完成基本原材料的制備，研究人員希望驗證材料在燃料電池堆內部電化學的惡劣環境中的穩定性，因此他們在納米框架的鉑原子外包裹一層“保護層”，以提高其耐用性。通過在氬氣中退火，在納米框架的表面產生了由鉑組成的“保護層”。

楊說：“我們猜測，氧原子將納米鎳顆粒帶到了框架上，氬退火將鉑帶到了表面。”

超高活性催化劑

Pt3Ni框架結構的內外表面由納米鉑結構組成，增強了氧化還原反應活性。與最佳鉑碳催化劑相比，納米骨架催化劑的質量活性和比活性分別提高了36倍和22倍。目前，新材料尚未投入實際的燃料電池堆進行測試。

楊說：“與其他人工合成中空納米結構的嘗試相比，我們的方法不需要通電，不需要使用太強的氧化劑，只需要在空氣中自發進行。鉑鎳納米框架的開放結構符合先進納米點催化劑設計中的一些規則，如高表面積比、良好的三維proximity和更少的貴金屬消耗。"

這種新型催化劑大大減少了鉑的含量，下一代低成本、高性能的排氣催化劑很可能由此開發出來。

催化材料的合成過程可以很容易地放大，以克為單位滿足實際應用。重要的是，該方法可以推廣到其他合金納米框架的合成，如鉑鈷合金、鉑銅合金、鉑錸鎳合金和鉑鉛鎳合金。氫燃料電池汽車推廣的最大障礙在于鉑的高昂價格和稀少的產量。這種昂貴的金屬對于燃料電池陰極的氧化還原反應尤其重要。在陰極，來自聚合物膜的質子、空氣中的氧原子和來自電線的電子結合形成產物水。

最近，來自LBNL勞倫斯伯克利國家實驗室和ANL阿貢國家實驗室的化學家和材料科學家團隊開發了一種創新的三維“納米框架”催化劑，該催化劑在催化陽極氧化反應方面具有前所未有的性能，甚至大大超過了美國能源部2017年預測的技術水平。

這種雙金屬催化劑由鉑和鎳組成，具有中空、活性高、內外表面尺寸大的特點，使其效率和成本遠優于目前的催化劑產品。

這種催化劑也可以在堿性水解槽中工作，將水分解為氧氣和氫氣。根據功耗的不同，它將來也可以用作氫氣制備裝置。堿性水解槽中有兩個被膜隔開的電極，它們浸入以氫氧化鉀為成分的堿性電解質中。研究人員將新型催化劑的性能與傳統鉑碳催化劑的性能進行了比較，發現新型催化劑性能提高了一個數量級。

近年來，世界各地的研究主要集中在將鉑與其他更便宜的金屬合金化，這可以降低催化劑的價格并保持性能不變。另一種改進方法是開發中空、籠狀和多孔材料，以便在其中添加少量的貴金屬催化劑。領導該項目的LBNL實驗室化學家、加州大學伯克利分校教授楊培東（Peidong Yang）表示，這種非傳統的幾何結構使得定量改善物理和化學財產更加方便。

新型雙金屬納米“籠”

楊培東說：“我們十年前就開始研究納米粒子催化劑的溶解過程。起初，我們主要關注單一元素，如鉑，并分析尺寸和形狀對催化劑性能的影響。但隨著研究的發展，我們越來越關注雙金屬催化劑，如鉑鎳、鉑銅等。三四年前，我的兩名博士后在將鉑鎳樣品放入溶劑中時，觀察到了一個意想不到的現象：他們發現……

雙金屬納米顆粒樣品在兩周后逐漸形成新的形狀。這對我們來說是一個意想不到的收獲，但當我們觀察到三維納米框架結構的表面覆蓋著催化位點時，我們肯定發現了一些有價值的東西。"

伯克利的研究人員隨后查閱了現有文獻，發現ANL實驗室的化學家Vojislav Stamenkovic對大容量單晶催化劑基體做了大量研究。基于Vojislav的研究，可以得出結論，雙金屬材料也將是有前途的電化學催化劑。

空心結構

研究發現，溶液中的起始材料固態PtNi3多面體會轉化為PtNi中間體，然后通過內部腐蝕轉化為Pt3Ni納米框架，氧原子可以穿過它。PtNi3多邊形的邊緣由高濃度的鉑組成，這也保存在后來的Pt3Ni納米框架中。最初的多面體由三個鎳原子和一個鉑原子組成，而最終的納米框架正好相反。

斯塔緬科維奇說：“多面體是一種常見的納米結構，多年來一直被用于催化劑研究。但我們的研究表明了其他解決方案的可能性。通過框架結構，我們將結構完全向外界開放，并去除材料中只占體積但沒有功能的埋原子。最終，仍有相當數量的催化劑c位點，它們位于框架表面的各處，可以從多個方向接近。"

用氧氣溶解的溶劑會在多面體內部產生溶解作用，最終形成中空的十二面體納米框架結構。通過提高反應溫度，反應時間從兩周縮短到12小時。

在完成基本原材料的制備后，研究人員希望驗證該材料在燃料電池堆內部電化學的惡劣環境中的穩定性，因此他們在納米框架的鉑原子外包裹了一層“保護層”，以提高其耐用性。通過在氬氣中退火，在納米框架的表面產生了由鉑組成的“保護層”。

楊說：“我們猜測，氧原子將納米鎳顆粒帶到了框架上，氬退火將鉑帶到了表面。”

超高活性催化劑

Pt3Ni框架結構的內外表面由納米鉑結構組成，增強了氧化還原反應活性。與最佳鉑碳催化劑相比，納米骨架催化劑的質量活性和比活性分別提高了36倍和22倍。目前，新材料尚未投入實際的燃料電池堆進行測試。

楊說：“與其他人工合成中空納米結構的嘗試相比，我們的方法不需要通電，不需要使用太強的氧化劑，只需要在空氣中自發進行。鉑鎳納米框架的開放結構符合先進納米點催化劑設計中的一些規則，如高表面積比、良好的三維proximity和更少的貴金屬消耗。"

這種新型催化劑大大減少了鉑的含量，下一代低成本、高性能的排氣催化劑很可能由此開發出來。

催化材料的合成過程可以很容易地放大，以克為單位滿足實際應用。重要的是，該方法可以推廣到其他合金納米框架的合成，如鉑鈷合金、鉑銅合金、鉑錸鎳合金和鉑鉛鎳合金。

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