X 射線研究揭示了具有成本效益的燃料電池材料

kangnaierdaxuedeyanjiurenyuanshoucishishibuzhuodaoleyizhongjuyouqianlidecuihuajicailiaozaiyunxingguochengzhongdedongtaibianhua
，zheyitupoxingchengguoweitidaiqingjienengyuanjishuzhongangguideguijinshutigonglexindekexuejianjie。

燃ran料liao電dian池chi能neng夠gou高gao效xiao地di將jiang氫qing氣qi和he氧yang氣qi直zhi接jie轉zhuan化hua為wei電dian能neng，而er催cui化hua劑ji在zai加jia速su這zhe一yi過guo程cheng中zhong起qi著zhe至zhi關guan重zhong要yao的de作zuo用yong。長chang期qi以yi來lai，鉑bo因yin其qi卓zhuo越yue的de效xiao率lv和he耐nai久jiu性xing被bei認ren為wei是shi氧化還原反應的理想催化劑
，但其高昂的成本限製了其大規模應用。

為了尋找更具成本效益的替代品
，由材料科學家安德烈·辛格（Andrej Singer）和化學家赫克托·阿布魯尼亞（Héctor Abruña）共同領導的研究團隊對鈷錳氧化物催化劑展開了研究。在2023年2月7日發表於《自然催化》（Nature Catalysis）的一項研究中，他們利用康奈爾高能同步輻射光源（Cornell High Energy Synchrotron Source, CHESS）的先進X射線技術
，實時觀察了該催化劑的工作狀態。研究結果揭示了這種材料出乎意料的結構穩定性，表明其有望成為鉑的一種經濟高效的替代品。

由表麵吸附物引起的建模應變。圖片來源：Nature Catalysis （2025）。DOI： 10.1038/s41929-025-01289-7

“這些鈷錳氧化物在運行過程中能夠承受令人驚訝的大應變
，”康奈爾工程學院材料科學與工程係副教授辛格表示
，“許多其他材料在這種條件下會永久變形或降解。”

然而，研究還發現了一個關鍵局限性：盡(jin)管(guan)該(gai)材(cai)料(liao)能(neng)夠(gou)反(fan)複(fu)從(cong)快(kuai)速(su)的(de)小(xiao)幅(fu)電(dian)壓(ya)波(bo)動(dong)中(zhong)恢(hui)複(fu)，但(dan)長(chang)期(qi)暴(bao)露(lu)於(yu)高(gao)電(dian)壓(ya)下(xia)會(hui)引(yin)發(fa)不(bu)可(ke)逆(ni)的(de)結(jie)構(gou)轉(zhuan)變(bian)。這(zhe)一(yi)發(fa)現(xian)結(jie)合(he)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)建(jian)模(mo)分(fen)析(xi)，正(zheng)在(zai)幫(bang)助(zhu)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)更(geng)準(zhun)確(que)地(di)界(jie)定(ding)該(gai)材(cai)料(liao)潛(qian)在(zai)的(de)失(shi)效(xiao)點(dian)。

“目前描述電化學表麵反應的模型無法解釋我們的原位實驗數據——顯然存在更為複雜的機製在起作用，”辛格指出，“未來的研究可能會闡明這些機製，並為高性能催化劑材料的開發提供指導。”

這項研究彙聚了化學家、物理學家和材料科學家，是康奈爾大學跨學科合作的一個典範。它建立在阿布魯尼亞教授的工作基礎上。作為藝術與科學學院（A&S）化學與化學生物學係的埃米爾·M·查莫特講席教授，以及堿性能源解決方案中心（Center for Alkaline-based Energy Solutions）的主任
，阿布魯尼亞一直致力於探索鉑的替代催化劑。

原位 XRD 和 REXS。圖片來源：Nature Catalysis （2025）。DOI： 10.1038/s41929-025-01289-7

“這些發現為我們提供了寶貴的洞見，我們相信這將推動相關技術的廣泛應用，”阿布魯尼亞表示，“這項工作也體現了康奈爾大學協作與協同研究的文化氛圍
，並展示了科學研究如何實現從基礎到應用的完整閉環。”

論文的共同作者之一、現為藝術與科學學院化學與化學生物學係助理教授的楊耀（Yao Yang
，2021年博士畢業），在其博士階段便在阿布魯尼亞課題組中首次研究了鈷錳氧化物。物理學教授托馬斯·阿裏亞斯（Tomás Arias）也參與了本研究
，體現了該工作的跨學科特性。

基於這些研究成果，研究團隊計劃進一步探索其他雙金屬氧化物體係，並擴展其X射線方法論以研究更廣泛的電催化材料。

該研究得到了美國能源部資助的堿性能源解決方案中心（Center for Alkaline-based Energy Solutions）的支持，實驗則在國家科學基金會資助的高能X射線科學中心（Center for High-Energy X-ray Sciences at CHESS）完成。

翻譯人：沈亞皓

來源：https://fuelcellsworks.com/2025/02/10/fuel-cells/x-ray-study-sheds-light-on-cost-effective-fuel-cell-materials