創(chuàng )新燃料電池納米催化劑大幅降低成本

氫燃料電池汽車(chē)推廣的最大阻力在于金屬鉑的高昂價(jià)格和稀有產(chǎn)量。這種昂貴金屬對于燃料電池陰極處的氧化還原反應的進(jìn)行尤其重要。在陰極，從聚合物膜透過(guò)來(lái)的質(zhì)子、空氣中的氧原子、由導線(xiàn)傳來(lái)的電子，三者結合，形成產(chǎn)物——水。

最近，一組來(lái)自L(fǎng)BNL美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室、ANL阿貢國家實(shí)驗室的化學(xué)家和材料學(xué)家組成的隊伍開(kāi)發(fā)出了創(chuàng )新的三維“納米框架”催化劑，它在催化陽(yáng)極氧化反應方面的性能超過(guò)了常規的鉑-碳微粒催化劑，史無(wú)前例，甚至大大超過(guò)了美國能源部對該技術(shù)預計的在2017年可能達到技術(shù)水平。

這種雙金屬催化劑由鉑和鎳組成，具有中空、高活性、內外表面尺寸大的特點(diǎn)，使得它的效率和成本都大大優(yōu)于目前的催化劑產(chǎn)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。根據耗電量高低，未來(lái)它還可能作為氫氣的制備裝置。堿性水解槽里面有兩個(gè)用膜分離開(kāi)的電極，這兩個(gè)電極浸沒(méi)在成分為氫氧化鉀的堿性電解液中。研究者對比測試了新型催化劑和傳統鉑-碳催化劑在其中的性能后發(fā)現，新的催化劑的性能提高了一個(gè)數量級。

最近幾年，全世界的研究主要集中在通過(guò)合金，將鉑同其他更為廉價(jià)的金屬結合形成合金，在降低催化劑價(jià)格的前提下，保持性能不降低。另一個(gè)改進(jìn)方法是開(kāi)發(fā)中空、籠形、多孔材料，以便在其中加入更少量的貴金屬催化劑。領(lǐng)導該項目的來(lái)自L(fǎng)BNL實(shí)驗室的化學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校教授Peidong Yang說(shuō)，這種非常規的幾何體結構使得定量地改進(jìn)物理、化學(xué)性能變得更加方便。

新的雙金屬納米“籠子”

Peidong Yang說(shuō)：“我們在十年前就開(kāi)始研究納米微粒催化劑的溶解過(guò)程。最開(kāi)始我們主要關(guān)注像鉑等單一元素，分析尺寸和形狀對催化劑性能的影響。但是隨著(zhù)研究的展開(kāi)，我們更為關(guān)注雙金屬催化劑，如鉑-鎳、鉑-銅等。三四年前，我的兩個(gè)博士后在將鉑-鎳樣本放入溶劑時(shí)觀(guān)察到了意想不到的現象：他們發(fā)現該雙金屬納米微粒樣本在兩周后逐漸形成了新的形態(tài)。

這對于我們是個(gè)意外的收獲，但是隨著(zhù)我們觀(guān)察到三維納米框架結構的表面滿(mǎn)滿(mǎn)地覆蓋著(zhù)催化位點(diǎn)時(shí)，我們確定發(fā)現了一些有價(jià)值的事情?！?/P>

伯克利的研究者隨后翻閱了現有的文獻，發(fā)現有ANL實(shí)驗室的化學(xué)家Vojislav Stamenkovic已經(jīng)做了相當多的關(guān)于大容量單晶體催化劑基體的研究?；赩ojislav的研究，可以斷定雙金屬材料也會(huì )是很有希望的電化學(xué)催化劑。于是我們聯(lián)系了他，開(kāi)始了合作。

中空結構

研究發(fā)現，在溶液中的起始材料——固態(tài)晶體PtNi3多面體會(huì )轉變?yōu)镻tNi中間物質(zhì)，然后通過(guò)內部腐蝕，轉變?yōu)镻t3Ni納米框架，氧原子可以從中間通過(guò)。PtNi3多面體的棱邊由高濃度鉑組成，它在后來(lái)的Pt3Ni納米框架中也得到保留。最初的多面體由三個(gè)鎳原子和一個(gè)鉑原子構成，最終的納米框架則正好相反。

Stamenkovic說(shuō)：“多面體是一種常見(jiàn)的納米結構類(lèi)型，多年以來(lái)一直用于催化劑研究。但是我們的研究展示了其他解決方法的可能性。通過(guò)框架結構，我們完全將結構完全對外打開(kāi)，并且除掉了材料內部被埋沒(méi)的那些只占有體積、卻沒(méi)有功能的原子們。最后仍然剩下了數量相當可觀(guān)的催化位點(diǎn)，它們位于框架表面的各處，可以從多個(gè)方向接近?！?/P>

溶有氧氣的溶劑會(huì )引起多面體內部的溶解效應，最終形成了中空十二面體的納米框架結構。通過(guò)升高反應溫度，反應時(shí)間從兩周縮短到12小時(shí)。

完成了基本原料的制備后，研究人員希望驗證該材料在燃料電池組內部電化學(xué)的嚴苛環(huán)境下的穩定性，所以他們在納米框架的鉑原子外包裹了一層“保護層”，提升其耐久性。通過(guò)在氬氣中進(jìn)行退火熱處理，納米框架的表面產(chǎn)生了一層由鉑組成的“保護層”。

Yang說(shuō)：“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面上?！?/P>

超高活性催化劑

Pt3Ni框架結構的內外表面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(zhì)量活力和比活力分別提高了36倍和22倍。新材料目前還沒(méi)投入實(shí)際的燃料電池組進(jìn)行測試。

Yang說(shuō)：“相比其他的人工合成中空納米結構的嘗試，我們的做法不需要通電、不需要使用過(guò)強的氧化劑，只需在空氣中自發(fā)進(jìn)行。鉑-鎳納米框架的開(kāi)放結構滿(mǎn)足了先進(jìn)納米點(diǎn)催化劑設計中的一些法則，如高面容比、好的三維接近性、更少的貴金屬用量等?！?/P>

這種新型催化劑大幅減小了鉑的用量，下一代的低價(jià)格、高性能尾氣催化器很有可能從中開(kāi)發(fā)出來(lái)。

該催化材料的人工合成過(guò)程可以比較容易地實(shí)現放大，滿(mǎn)足以克為單位的實(shí)際應用場(chǎng)合。重要的是，該方法可以繼續推廣到另外的合金納米框架的合成中，如鉑-鈷合金、鉑-銅合金、鉑-錸-鎳合金和鉑-鉛-鎳合金。