新发现：燃料电池催化剂铂用量可减少75%

12月14日，《自然》杂志发表《由咪唑酯骨架衍生的超低负载铂-钴燃料电池催化剂》一文，指出燃料电池催化剂铂用量可减少75%。

铂金被认为是燃料电池必须要使用的一种金属。铂金虽然稀缺且极其昂贵，但铂在将氢和氧转化为水和电时比银和金更加有效。

近日，美国能源部阿贡国家实验室的研究人员发现了一种新的催化剂，它仅使用了目前技术约25％的铂用量，仍然保持了全部金属供应电化学反应的活性和稳定性。

燃料电池使用铂将氢转化为质子和电子，同时还将氧键断开，通过大量的催化剂形成水。

为了减少这一过程所需的铂金量，研究人员首先调整了金属的形状，使几层纯铂原子覆盖钴铂合金纳米粒子核心，从而最大限度地提高铂在催化剂中的可用性和反应性。

“如果你首先只有极少量的铂金，你必须充分利用它。”作为该研究的共同作者，阿贡实验室化学家刘迪嘉（音译）在一份声明中说，“使用铂-钴核壳合金可以让我们制造更多的催化活性颗粒，扩散到催化剂表面，但这只是第一步。”

就其自身而言，当燃料电池需要增加电流时，核-壳纳米颗粒不能处理大量氧气。研究人员通过生产具有催化活性的无铂族金属基板来提高效率，通过作为前体来支持钴-铂合金纳米粒子，使团队能够制备钴-氮-碳复合基板。

在该基质中，自身能够断裂氧键并与铂共同起到协同作用的催化活性中心均匀地分布在铂-钴颗粒附近。

“你可以认为它有点像分子足球队，”刘迪嘉表示：“核-壳纳米粒子的作用就像防守卫一样，很薄的分散在整个场地，试图同时处理大量的氧分子。我们所做的是让‘场地’本身具有催化活性，能够协助解决氧气问题。”

研究人员首先加热含钴金属-有机骨架，使一些钴与有机物相互作用并形成不含PGM的基质。同时，剩余的钴原子被还原成良好分散并且遍及基底的小金属簇，然后加入铂并将混合物退火以形成铂-钴核-壳颗粒，被无PGM的活性位点包围。

随着活性的提高，新催化剂的耐久性优于任何一种组分。

“由于新催化剂仅需要超低量的铂，其用量类似于现有汽车催化转化器中使用的铂量，可以帮助传统内燃机到燃料电池车辆的过渡，而不会破坏铂金的供应链和市场。”刘迪嘉表示。