研究者发现氢燃料电池用纯铂催化剂的替代物

氢燃料电池是生产清洁和可再生能源的一种很有前途的技术，但其阴极材料的成本和活性是商业化的主要挑战。许多燃料电池需要昂贵的铂基催化剂-启动和加速化学反应的物质-以帮助将可再生燃料转化为电能。为了使氢燃料电池在商业上可行，科学家们正在寻找更廉价的催化剂，提供与纯铂同样的效率。

“像电池一样，氢燃料电池将储存的化学能量转化为电能。不同之处在于，你使用的是一种可补充的燃料，所以原则上，‘电池’将永远存在，“美国能源部(DOE)科学用户设施位于美国能源部布鲁克海文国家实验室的国家同步光源II(NSLS-II)的科学家阿德里安·亨特(AdrianHunt)说。“寻找一种廉价有效的氢燃料电池催化剂基本上是使这项技术更加可行的圣杯。”

在全世界范围内寻找燃料电池正极材料的过程中，阿克伦大学的研究人员开发了一种合成催化剂的新方法-铂和镍-这些金属可以形成八面体(八面)形状的纳米粒子。虽然科学家已经确定这种催化剂是最有效的取代纯铂的催化剂之一，但他们尚未完全了解为什么它以八面体的形式生长。为了更好地理解成长过程，阿克伦大学的研究人员与多个机构合作，包括布鲁克海文及其NSLS-II。

阿克伦大学(UniversityOfAkron)催化实验室的首席研究员彭振梦(音)表示：“了解多面催化剂是如何形成的，对于建立其结构-性能相关性和设计出更好的催化剂，具有关键作用。”“铂镍体系的增长过程是相当复杂的，因此我们与几个有经验的团体合作来应对这些挑战。布鲁克海文国家实验室的尖端技术对这一研究课题的研究有很大帮助。“

利用NSLS-Ⅱ的超亮X射线以及NSLS-Ⅱ原位和操纵性软X射线光谱(IOS)光束线的先进性能，研究人员实时揭示了催化剂生长途径的化学特征。他们的发现发表在“自然通讯”杂志上。

“我们使用了一种名为环境压力x射线光电子能谱(ap-xps)的研究技术来研究纳米粒子在生长反应过程中的表面组成和化学状态，”IOS首席科学家、研究论文的共同作者伊拉德维卡纳里瓦鲁约(IradwikanariWaluyo)说。“在这项技术中，我们用x射线照射一个样品，这会导致电子释放。”通过分析这些电子的能量，我们可以区分样品中的化学元素，以及它们的化学和氧化状态。“

亨特也是这篇论文的作者之一，他补充说：“这和阳光和我们的衣服相互作用的方式很相似。阳光大致是黄色的，但一旦照射到一个人的衬衫上，你就能分辨出这件衬衫是蓝色的、红色的还是绿色的。“

科学家们不是用颜色，而是识别催化剂表面的化学信息，并将其与其内部进行比较。他们发现，在生长反应中，金属铂首先形成并成为纳米粒子的核心。然后，当反应温度稍高时，铂帮助形成金属镍，金属镍随后分离到纳米粒子的表面。在生长的最后阶段，表面变成两种金属的大致相同的混合物。铂和镍之间的这种有趣的协同效应在纳米粒子八面体形状的发展和反应活性中起着重要的作用。

“这些发现的好处是，镍是一种廉价的材料，而铂是昂贵的，”亨特说。“所以，如果纳米粒子表面的镍催化着反应，而这些纳米粒子本身仍然比铂本身更有活性，那么希望通过更多的研究，我们能够找到添加铂的最小量，并得到高活性，从而创造出更高成本效益的催化剂。”

这些发现取决于iOS的先进能力，在那里，研究人员能够在比常规XPS实验通常可能的更高气压下进行实验。

瓦鲁约说：“在iOS系统中，我们能够实时跟踪纳米粒子的组成和化学状态在实际生长条件下的变化。”

在美国能源部阿贡国家实验室的高级光子源(APS)上完成的其他x射线和电子成像研究-另一项DOE科学用户设施-和加利福尼亚大学欧文分校-分别补充了NSLS-II的工作。

“这项基本工作突出了分离镍在形成八面体型催化剂中的重要作用。我们对纳米催化剂的形状控制有了更深入的了解。“下一步是研究多面纳米粒子的催化性能，以了解其结构与性质的相关性。”

这项研究得到了国家科学基金会和布鲁克海文实验室指导的研究和发展计划的支持。在NSLS-II和APS的行动得到能源部科学办公室的支持.