美科研隊伍創新燃料電池納米催化劑

氫燃料電池汽車推廣的最大阻力在於金屬鉑的高昂價格和稀有產量。這種昂貴金屬對於燃料電池陰極處的氧化還原反應的進行尤其重要。在陰極，從聚合物膜透過來的質子、空氣中的氧原子
、由導線傳來的電子，三者結合，形成產物——水。

最近，一組來自LBNL美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室
、ANL阿貢國家實驗室的化學家和材料學家組成的隊伍開發出了創新的三維“納米框架”催化劑，它在催化陽極氧化反應方麵的性能超過了常規的鉑-碳微粒催化劑
，史無前例，甚至大大超過了美國能源部對該技術預計的在2017年可能達到技術水平。

這種雙金屬催化劑由鉑和鎳組成
，具有中空、高活性、內外表麵尺寸大的特點，使得它的效率和成本都大大優於目前的催化劑產品。

這種催化劑也可在堿性水解槽中工作
，將水分裂為氧和氫。genjuhaodianlianggaodi，weilaitahaikenengzuoweiqingqidezhibeizhuangzhi。jianxingshuijiecaolimianyoulianggeyongmofenlikaidedianji，zhelianggedianjijinmeizaichengfenweiqingyanghuajiadejianxingdianjieyezhong。yanjiuzheduibiceshilexinxingcuihuajihechuantongbo-碳催化劑在其中的性能後發現，新的催化劑的性能提高了一個數量級。

最(zui)近(jin)幾(ji)年(nian)，全(quan)世(shi)界(jie)的(de)研(yan)究(jiu)主(zhu)要(yao)集(ji)中(zhong)在(zai)通(tong)過(guo)合(he)金(jin)
，將(jiang)鉑(bo)同(tong)其(qi)他(ta)更(geng)為(wei)廉(lian)價(jia)的(de)金(jin)屬(shu)結(jie)合(he)形(xing)成(cheng)合(he)金(jin)，在(zai)降(jiang)低(di)催(cui)化(hua)劑(ji)價(jia)格(ge)的(de)前(qian)提(ti)下(xia)

，保(bao)持(chi)性(xing)能(neng)不(bu)降(jiang)低(di)。另(ling)一(yi)個(ge)改(gai)進(jin)方(fang)法(fa)是(shi)開(kai)發(fa)中(zhong)空(kong)
、籠形、多孔材料

，以便在其中加入更少量的貴金屬催化劑。領導該項目的來自LBNL實驗室的化學家、加州大學伯克利分校教授Peidong Yang說，這種非常規的幾何體結構使得定量地改進物理、化學性能變得更加方便。

新的雙金屬納米“籠子”

Peidong Yang說：“我(wo)們(men)在(zai)十(shi)年(nian)前(qian)就(jiu)開(kai)始(shi)研(yan)究(jiu)納(na)米(mi)微(wei)粒(li)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)溶(rong)解(jie)過(guo)程(cheng)。最(zui)開(kai)始(shi)我(wo)們(men)主(zhu)要(yao)關(guan)注(zhu)像(xiang)鉑(bo)等(deng)單(dan)一(yi)元(yuan)素(su)
，分(fen)析(xi)尺(chi)寸(cun)和(he)形(xing)狀(zhuang)對(dui)催(cui)化(hua)劑(ji)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)響(xiang)。但(dan)是(shi)隨(sui)著(zhe)研(yan)究(jiu)的(de)展(zhan)開(kai)，我(wo)們(men)更(geng)為(wei)關(guan)注(zhu)雙(shuang)金(jin)屬(shu)催(cui)化(hua)劑(ji)，如(ru)鉑(bo)-鎳、鉑-銅等。三四年前，我的兩個博士後在將鉑-鎳樣本放入溶劑時觀察到了意想不到的現象：他們發現該雙金屬納米微粒樣本在兩周後逐漸形成了新的形態。

這zhe對dui於yu我wo們men是shi個ge意yi外wai的de收shou獲huo
，但dan是shi隨sui著zhe我wo們men觀guan察cha到dao三san維wei納na米mi框kuang架jia結jie構gou的de表biao麵mian滿man滿man地di覆fu蓋gai著zhe催cui化hua位wei點dian時shi
，我wo們men確que定ding發fa現xian了le一yi些xie有you價jia值zhi的de事shi情qing。”

伯克利的研究者隨後翻閱了現有的文獻，發現有ANL實驗室的化學家Vojislav Stamenkovic已經做了相當多的關於大容量單晶體催化劑基體的研究。基於Vojislav的研究，可以斷定雙金屬材料也會是很有希望的電化學催化劑。於是我們聯係了他，開始了合作。

中空結構

研究發現，在溶液中的起始材料——固態晶體PtNi3多麵體會轉變為PtNi中間物質，然後通過內部腐蝕，轉變為Pt3Ni納米框架，氧原子可以從中間通過。PtNi3多麵體的棱邊由高濃度鉑組成，它在後來的Pt3Ni納米框架中也得到保留。最初的多麵體由三個鎳原子和一個鉑原子構成，最終的納米框架則正好相反。

Stamenkovic說：“duomiantishiyizhongchangjiandenamijiegouleixing，duonianyilaiyizhiyongyucuihuajiyanjiu。danshiwomendeyanjiuzhanshileqitajiejuefangfadekenengxing。tongguokuangjiajiegou
，womenwanquanjiangjiegouwanquanduiwaidakai，bingqiechudiaolecailiaoneibubeimaimeidenaxiezhizhanyoutiji、卻沒有功能的原子們。最後仍然剩下了數量相當可觀的催化位點，它們位於框架表麵的各處
，可以從多個方向接近。”

溶有氧氣的溶劑會引起多麵體內部的溶解效應，最終形成了中空十二麵體的納米框架結構。通過升高反應溫度，反應時間從兩周縮短到12小時。

wanchenglejibenyuanliaodezhibeihou，yanjiurenyuanxiwangyanzhenggaicailiaozairanliaodianchizuneibudianhuaxuedeyankehuanjingxiadewendingxing，suoyitamenzainamikuangjiadeboyuanziwaibaoguoleyiceng“保護層”，提升其耐久性。通過在氬氣中進行退火熱處理
，納米框架的表麵產生了一層由鉑組成的“保護層”。

Yang說：“我們猜測是氧原子將納米鎳微粒帶到了框架上，氬氣的退火作用將鉑帶到了表麵上。”

超高活性催化劑

Pt3Ni框架結構的內外表麵均由納米鉑結構組成，它提升了氧化還原反應活性。相比最好的鉑-碳催化劑，納米框架催化劑的質量活力和比活力分別提高了36倍和22倍。新材料目前還沒投入實際的燃料電池組進行測試。

Yang說：“相比其他的人工合成中空納米結構的嚐試
，我們的做法不需要通電
、不需要使用過強的氧化劑，隻需在空氣中自發進行。鉑-鎳納米框架的開放結構滿足了先進納米點催化劑設計中的一些法則
，如高麵容比
、好的三維接近性、更少的貴金屬用量等。”

這種新型催化劑大幅減小了鉑的用量，下一代的低價格、高性能尾氣催化器很有可能從中開發出來。

該gai催cui化hua材cai料liao的de人ren工gong合he成cheng過guo程cheng可ke以yi比bi較jiao容rong易yi地di實shi現xian放fang大da，滿man足zu以yi克ke為wei單dan位wei的de實shi際ji應ying用yong場chang合he。重zhong要yao的de是shi，該gai方fang法fa可ke以yi繼ji續xu推tui廣guang到dao另ling外wai的de合he金jin納na米mi框kuang架jia的de合he成cheng中zhong
，如ru鉑bo-鈷合金、鉑-銅合金、鉑-錸-鎳合金和鉑-鉛-鎳合金。（