科学家们将铂在燃料电池中的效率最大化

铂金是一种比银或金更稀有的贵金属。在燃料电池领域因其将氢和氧转化为水和电的有效性而闻名，铂为电化学反应提供了无与伦比的活性和稳定性。

但铂金既稀缺又昂贵，这意味着科学家们正在寻求制造实用的燃料电池催化剂，这种催化剂使用的昂贵贵金属少得多。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的新研究发表在“科学”杂志上，科学家发现了一种新的催化剂，它通过最大限度地提高铂金的有效性，仅使用了大约四分之一的铂金。

如果你首先只给予极少量的铂金，你必须充分利用它，“ - Di-Jia Liu，Argonne化学家。

在燃料电池中，铂有两种使用方式 - 将氢转化为质子和电子，并破坏氧键并最终形成水。后一种反应，即氧还原反应，需要特别大量的铂，科学家一直在寻找降低氧还原催化剂中铂含量的方法。

阿贡科学家发现了大幅提高铂金利用率的新方法。首先，他们调整了铂的形状，以最大限度地提高催化剂的可用性和反应性。在这种配置中，几层纯铂原子覆盖钴 - 铂合金纳米颗粒核心以形成核 - 壳结构。

“如果你首先只给予极少量的铂金，你必须充分利用它，”该研究的相应作者阿格纳化学家刘迪嘉说。“使用铂钴核壳合金可以让我们制造更多的催化活性颗粒，扩散到催化剂表面，但这只是第一步。”

当燃料电池需要提高电流时，核壳纳米颗粒本身仍然无法处理大量氧气。为了提高催化剂的效率，Liu和他的同事依靠他们从过去的研究中熟知的另一种方法，生产出具有催化活性的不含铂族金属(不含PGM)的底物作为钴 - 铂合金纳米粒子的载体。 。

使用金属 - 有机骨架作为前体，Liu和他的同事们能够制备钴 - 氮 - 碳复合衬底，其中催化活性中心均匀分布在铂 - 钴颗粒附近。这些活性中心能够自身破坏氧键并与铂协同作用。

“你可以认为它有点像分子足球队，”刘说。“核 - 壳纳米粒子的作用就像防守线条一样，在整个场地中都很薄，试图同时处理太多的氧分子。我们所做的就是让'场'本身具有催化活性，能够帮助处理氧气。“

事实证明，与单独的任一组分相比，新的组合催化剂不仅提高了活性，而且提高了耐久性。

刘和他的同事创造了一种专利工艺，首先加热含钴金属 - 有机骨架。随着温度升高，一些钴原子与有机物相互作用以形成不含PGM的基底，而其它钴原子在整个基底中被还原成良好分散的小金属簇。在加入铂然后退火后，形成铂 - 钴核 - 壳颗粒并被不含PGM的活性位点包围。

虽然最终目标是完全从氢燃料电池催化剂中消除铂，但刘说，目前的研究开辟了一个新的方向，以经济有效的方式解决燃料电池催化剂活性和耐久性。“由于新催化剂只需要超低含量的铂，类似于现有汽车催化转化器中使用的铂，它可以帮助减轻从传统内燃机到燃料电池汽车的过渡，而不会破坏铂金供应链和市场，”他说过。