12月14日，《自然》雜志發(fā)表《由咪唑酯骨架衍生的超低負(fù)載鉑-鈷燃料電池催化劑》一文，指出燃料電池催化劑鉑用量可減少75%。

鉑金被認(rèn)為是燃料電池必須要使用的一種金屬。鉑金雖然稀缺且極其昂貴，但鉑在將氫和氧轉(zhuǎn)化為水和電時(shí)比銀和金更加有效。

近日，美國(guó)能源部阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的催化劑，它僅使用了目前技術(shù)約25％的鉑用量，仍然保持了全部金屬供應(yīng)電化學(xué)反應(yīng)的活性和穩(wěn)定性。

燃料電池使用鉑將氫轉(zhuǎn)化為質(zhì)子和電子，同時(shí)還將氧鍵斷開(kāi)，通過(guò)大量的催化劑形成水。

為了減少這一過(guò)程所需的鉑金量，研究人員首先調(diào)整了金屬的形狀，使幾層純鉑原子覆蓋鈷鉑合金納米粒子核心，從而最大限度地提高鉑在催化劑中的可用性和反應(yīng)性。

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“如果你首先只有極少量的鉑金，你必須充分利用它。”作為該研究的共同作者，阿貢實(shí)驗(yàn)室化學(xué)家劉迪嘉（音譯）在一份聲明中說(shuō)，“使用鉑-鈷核殼合金可以讓我們制造更多的催化活性顆粒，擴(kuò)散到催化劑表面，但這只是第一步?！?/p>

就其自身而言，當(dāng)燃料電池需要增加電流時(shí)，核-殼納米顆粒不能處理大量氧氣。研究人員通過(guò)生產(chǎn)具有催化活性的無(wú)鉑族金屬基板來(lái)提高效率，通過(guò)作為前體來(lái)支持鈷-鉑合金納米粒子，使團(tuán)隊(duì)能夠制備鈷-氮-碳復(fù)合基板。

在該基質(zhì)中，自身能夠斷裂氧鍵并與鉑共同起到協(xié)同作用的催化活性中心均勻地分布在鉑-鈷顆粒附近。

“你可以認(rèn)為它有點(diǎn)像分子足球隊(duì)，”劉迪嘉表示：“核-殼納米粒子的作用就像防守衛(wèi)一樣，很薄的分散在整個(gè)場(chǎng)地，試圖同時(shí)處理大量的氧分子。我們所做的是讓‘場(chǎng)地’本身具有催化活性，能夠協(xié)助解決氧氣問(wèn)題?！?/p>

研究人員首先加熱含鈷金屬-有機(jī)骨架，使一些鈷與有機(jī)物相互作用并形成不含PGM的基質(zhì)。同時(shí)，剩余的鈷原子被還原成良好分散并且遍及基底的小金屬簇，然后加入鉑并將混合物退火以形成鉑-鈷核-殼顆粒，被無(wú)PGM的活性位點(diǎn)包圍。

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隨著活性的提高，新催化劑的耐久性?xún)?yōu)于任何一種組分。

“由于新催化劑僅需要超低量的鉑，其用量類(lèi)似于現(xiàn)有汽車(chē)催化轉(zhuǎn)化器中使用的鉑量，可以幫助傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)到燃料電池車(chē)輛的過(guò)渡，而不會(huì)破壞鉑金的供應(yīng)鏈和市場(chǎng)。”劉迪嘉表示。