布朗大学：新型合金催化剂助力氢燃料电池的推广

图片来源：来自布朗大学的阳光实验室

阻碍环保氢燃料电池广泛应用于汽车、卡车和其他车辆的一个关键因素是铂催化剂的成本。贵金属铂较少使用的一种解决方法是将其与其他成本较低的金属相结合，但这些合金催化剂在燃料电池条件下往往会迅速降解。现在，来自布朗大学的研究人员已经开发出一种新型合金催化剂，这种催化剂既能减少铂的使用，又能在燃料电池测试中保持良好的性能。这种催化剂由铂合金和钴纳米颗粒制成，在反应性和耐久性方面都超过了美国能源部(DOE) 所设定的2020年目标。这种催化剂由一个铂外壳组成，由钴原子和铂原子交替层构成的核心环绕在其周围。所构成的核心强化了铂外壳的晶格，这增加了其耐久性。

阻碍环保氢燃料电池广泛应用于汽车、卡车和其他车辆的一个因素是铂催化剂的成本。贵金属铂较少使用的一种方法是将其与其他成本较低的金属结合使用，但这些合金催化剂在燃料电池条件下往往会迅速降解。

现在，来自布朗大学的研究人员开发出一种新型合金催化剂，既能减少铂的使用，又能在燃料电池测试中保持良好状态。根据期刊《Joule》所述的测试结果显示，在纳米粒子中合金化铂与钴合金制成的催化剂在反应性和耐久性方面均超过了美国能源部（DOE）2020年的目标。

“合金催化剂的耐久性是该领域的一大挑战”，布朗大学化学系研究生、该研究的第一作者Junrui Li说道。“事实证明，合金最初的性能优于纯铂。但在这种情况下，在燃料电池内部，催化剂的非贵金属部分会被氧化并迅速浸出。”

为解决这一浸出问题，Li和他的同事研发出具有特殊结构的纳米合金粒子。这种催化剂由一个铂外壳组成，由钴原子和铂原子交替层构成的核心环绕在其周围。布朗大学化学系教授、该研究的高级作者Shouheng Sun表示，这种分层核心结构是催化剂反应性和耐久性的关键。

“核心中原子的分层排列有助于平滑和收紧外壳中的铂晶格，”Sun说。“这增加了铂的反应性程度，同时能够保护钴原子不会在反应过程中被“吃掉”。这就是为什么这些颗粒相比于随机排列的金属原子合金颗粒，表现要更为优异。”

关于有序结构如何增强催化剂活性的细节在《Joule》期刊中有简要描述。但更为具体的细节则发表在杂志“Chemical Physics”《化学物理》上的另一篇计算机建模论文中。这项建模工作由Andrew Peterson领导，他是布朗工程学院的副教授，也是《Joule》期刊论文的合著者。

在实验工作中，研究人员测试了催化剂的氧化还原能力，这对燃料电池的性能和耐久性至关重要。在质子交换膜(PEM)燃料电池的一侧，从氢燃料中剥离出来的电子会产生电流，从而驱动电动机。在电池另一端，氧原子吸收这些电子以形成回路。这是通过氧还原反应实现的。

初步测试表明，该催化剂在实验室环境下表现良好，优于传统铂合金催化剂。新型催化剂在3万次电压循环后仍可保持活性，而传统催化剂催化性能明显下降。

但研究人员表示，虽然实验室测试对于评估催化剂的性质非常重要，但它们并不一定能显示催化剂在实际燃料电池中的表现。与实验室测试环境相比，燃料电池环境温度更高并且酸度不同，这会加速催化剂降解。为探究催化剂在该环境中的稳定性，研究人员将催化剂送到洛斯阿拉莫斯国家实验室进行实际燃料电池测试。

测试表明，该催化剂在初始活性和长期耐久性方面都优于美国能源部(DOE)设定的目标。美国能源部要求：到2020年时，研究人员要研发出初始活性为每毫克铂0.44安培的催化剂，同时在3万次电压循环（大致相当于燃料电池汽车使用5年）后，其活性至少为每毫克铂0.26安培。对该新型催化剂的测试表明，它的初始活性为每毫克0.56安培，在3万次循环后的活性为每毫克0.45安培。

“即使经过了3万个循环，我们研发出的催化剂仍然超出了能源部最初所设定的活性目标，”Sun说。“这种性能在真实的燃料电池环境中很有应用前景。”

研究人员已经申请了催化剂的临时专利，他们希望继续对其进行研发和完善。

原文来自：phys，原文题目：New, durable catalyst for key fuel cell reaction may prove useful in eco-friendly vehicles，由材料科技在线团队编译。