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一直以来，氢燃料电池车推广的最大障碍来自于贵金属铂昂贵的价格和稀缺的产量。对这种电池来说，金属铂是必不可少的催化剂，这种贵金属对于燃料电池阴极处的氧化还原反应的进行尤其重要。在阴极，从聚合物膜透过来的质子、空气中的氧原子、由导线传来的电子，三者结合，形成产物——水。
最近，一组来自美国能源署劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）及阿贡国家实验室（ANL）的化学家和材料学家组成的研发团队开发出了创新的三维“纳米框架”催化剂， 它在催化阳极氧化反应方面表现出了较高的催化活性。相对常规的铂催化剂——将铂纳米颗粒沉积到碳基体上，该催化剂在性能方面的提升达到了前所未有的水平。此外，这款催化剂的活性从数量级方面来说甚至超过了美国能源署对该技术设立的在2017 年需要达到的技术水平。
这种双金属催化剂由铂和镍组成，具有中空、高活性、内外表面尺寸大等特点，使得它的效率和成本都大大优于今天的催化剂产品。
这种催化剂也可以在碱性水解槽中工作，将水分裂为氧和氢。根据耗电量的高低，未来它还可能作为氢燃料的制备装置。经过传统的氢析出反应测试发现，新型催化剂比传统铂- 碳催化剂的催化活性整整提高了一个数量级。 （图片） 最近几年，全球针对燃料电池催化剂的研究主要集中在将铂同其他更为廉价的材料结合形成合金，在降低贵金属用量从而减少成本的情况下，保持催化剂性能不变。另一个方法是开发笼形、中空或多孔材料，其中包含隐藏的非功能性贵金属原子的量也很少。据劳伦斯伯克利国家实验室及加州大学伯克利分校化学家杨培东称，这种不常见的几何形状还提供了一种更加简单的开发路径——可以根据需要来调整催化剂的物理和化学属性。
新型双金属纳米笼状结构
“我们大概10 年前开始针对纳米颗粒的催化特性展开研究，”杨培东表示。“最初， 我们的研究重点放在了类似金属铂这样的单元素上，对形状及大小有依赖关系的催化特性进行分析，但是随着时间的推移，我们的重点逐渐转移到双金属催化剂上，比如铂- 镍（PtNi）和铂- 铜。大概三到四年后，我的两个博士后学生无意中将一个铂- 镍样品放进一个溶剂中，然后发生了意想不到的事：大概两周后，他们发现双金属纳米颗粒转变成新的形状了。”
“这对我们来说完全是一个意外，”杨培东继续说道。“但是当我们看到新形成的3D 纳米结构上面有催化产物时，我们才确定有了新的发现。”（图片） 伯克利研究人员查询了当时的文献记录， 发现由阿贡国家实验室化学家Vojislava Stamenkovic 领导的研究团队已经针对单晶体载体的催化活性展开了大量的研究工作。“根据他们的研究成果， 我们可以判断新发现的双金属材料可以成为出色的电催化剂。因此我们跟Stamenkovic 取得了联系，并建立了合作， 开始对这种材料进行测试，” 杨培东透露。
从多面体到中空结构
研发的产品经历了几个阶段，从最初的固态晶体状PtNi3 多面体结构，很自然地过渡到PtNi 中间体，然后通过内部蚀化转变成Pt3Ni 纳米结构，表面可以通过氧分子。富含金属铂的PtNi3 多面体的边缘被保留在最终Pt3Ni 纳米结构中。不过，在最初的PtNi3 多面体中，每一个铂原子对应三个镍原子，但是在纳米结构中，平均每三个铂原子对应一个镍原子，正好相反。（图片） “ 几十年来， 多面体一直是比较常见的被用于催化还原研究的纳米结构，”Stamenkovic 在一份声明中表示。“我们的研究表明其他一些结构也是可行的。通过这种框架，我们完全打开了材料的结构，并抛弃了之前隐藏的非功能性体相原子。”
在基本材料完成后，科学家们想确保其在燃料电池组中严苛的电化学环境下的稳定性，于是他们在纳米结构表面又创建了第二个铂原子表层， 在确保活性的情况下提高催化剂的稳定性。经过退火和热处理，纳米结构在氩气中形成了一个金属铂表层。
超活性催化剂
“其他针对中空纳米结构的聚合工艺常常需要通过氧化剂或外加电势进行蚀化，但是我们采取的方式却是在空气中自发完成的，”杨培东说。“这种铂- 镍纳米框架的开放结构达到了高级纳米级电催化剂的主要设计标准，比如较高的表面- 容积比，3D 表面分子可及性以及极低的贵金属用量。”
新型纳米催化剂大大降低了氧还原反应及氢析出反应所需的贵金属铂用量，有望促成新一代催化剂的形成， 不仅成本得到大大降低，反应活性也可以根据需求得到大幅度提升。
纳米结构的聚合工艺还可以用于制作克量级的高性能电催化剂。更重要的是，这种方式还可以用于其他多金属纳米结构催化剂的设计，比如铂- 钴、铂- 筒、铂- 铼- 镍以及铂- 铅- 镍。
“我们很高兴看到该项目取得的进展，”杨培东说。“这可以大大降低贵金属铂的使用。而且我们对其商业化应用非常乐观。”
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