美国科研人员开发纳米催化剂 大幅降低燃料电池成本

氢燃料电池汽车推广的最大障碍在于铂的高昂价格和稀少的产量。这种昂贵的金属对于燃料电池阴极的氧化还原反应尤其重要。在阴极，来自聚合物膜的质子、空气中的氧原子和来自电线的电子结合形成产物水。

最近，来自LBNL劳伦斯伯克利国家实验室和ANL阿贡国家实验室的化学家和材料科学家团队开发了一种创新的三维“纳米框架”催化剂，该催化剂在催化阳极氧化反应方面具有前所未有的性能，甚至大大超过了美国能源部2017年预测的技术水平。

这种双金属催化剂由铂和镍组成，具有中空、活性高、内外表面尺寸大的特点，使其效率和成本远优于目前的催化剂产品。

这种催化剂也可以在碱性水解槽中工作，将水分解为氧气和氢气。根据功耗的不同，它将来也可以用作氢气制备装置。碱性水解槽中有两个被膜隔开的电极，它们浸入以氢氧化钾为成分的碱性电解质中。研究人员将新型催化剂的性能与传统铂碳催化剂的性能进行了比较，发现新型催化剂性能提高了一个数量级。

近年来，世界各地的研究主要集中在将铂与其他更便宜的金属合金化，这可以降低催化剂的价格并保持性能不变。另一种改进方法是开发中空、笼状和多孔材料，以便在其中添加少量的贵金属催化剂。领导该项目的LBNL实验室化学家、加州大学伯克利分校教授杨培东（Peidong Yang）表示，这种非传统的几何结构使得定量改善物理和化学财产更加方便。

新型双金属纳米“笼”

杨培东说：“我们十年前就开始研究纳米粒子催化剂的溶解过程。起初，我们主要关注单一元素，如铂，并分析尺寸和形状对催化剂性能的影响。但随着研究的发展，我们越来越关注双金属催化剂，如铂镍、铂铜等。三四年前，我的两位博士后在将铂镍样品放入溶剂中时观察到了一个意想不到的现象：他们发现双金属纳米颗粒样品在两周后逐渐形成了新的形状。这对我们来说是一个意想不到的收获，但当我们观察到三维纳米框架结构的表面覆盖着催化位点时，我们肯定发现了一些有价值的东西。"

伯克利的研究人员随后查阅了现有文献，发现ANL实验室的化学家Vojislav Stamenkovic对大容量单晶催化剂基体做了大量研究。基于Vojislav的研究，可以得出结论，双金属材料也将是有前途的电化学催化剂。

空心结构

研究发现，溶液中的起始材料固态PtNi3多面体会转化为PtNi中间体，然后通过内部腐蚀转化为Pt3Ni纳米框架，氧原子可以穿过它。PtNi3多边形的边缘由高浓度的铂组成，这也保存在后来的Pt3Ni纳米框架中。最初的多面体由三个镍原子和一个铂原子组成，而最终的纳米框架正好相反。

斯塔缅科维奇说：“多面体是一种常见的纳米结构，多年来一直被用于催化剂研究。但我们的研究表明了其他解决方案的可能性。通过框架结构，我们将结构完全向外界开放，并去除材料中只占体积但没有功能的埋原子。最终，仍有相当数量的催化剂c位点，它们位于框架表面的各处，可以从多个方向接近。"

用氧气溶解的溶剂会在多面体内部产生溶解作用，最终形成中空的十二面体纳米框架结构。通过提高反应温度，反应时间从两周缩短到12小时。

A……

er完成基本原材料的制备，研究人员希望验证材料在燃料电池堆内部电化学的恶劣环境中的稳定性，因此他们在纳米框架的铂原子外包裹一层“保护层”，以提高其耐用性。通过在氩气中退火，在纳米框架的表面产生了由铂组成的“保护层”。

杨说：“我们猜测，氧原子将纳米镍颗粒带到了框架上，氩退火将铂带到了表面。”

超高活性催化剂

Pt3Ni框架结构的内外表面由纳米铂结构组成，增强了氧化还原反应活性。与最佳铂碳催化剂相比，纳米骨架催化剂的质量活性和比活性分别提高了36倍和22倍。目前，新材料尚未投入实际的燃料电池堆进行测试。

杨说：“与其他人工合成中空纳米结构的尝试相比，我们的方法不需要通电，不需要使用太强的氧化剂，只需要在空气中自发进行。铂镍纳米框架的开放结构符合先进纳米点催化剂设计中的一些规则，如高表面积比、良好的三维proximity和更少的贵金属消耗。"

这种新型催化剂大大减少了铂的含量，下一代低成本、高性能的排气催化剂很可能由此开发出来。

催化材料的合成过程可以很容易地放大，以克为单位满足实际应用。重要的是，该方法可以推广到其他合金纳米框架的合成，如铂钴合金、铂铜合金、铂铼镍合金和铂铅镍合金。氢燃料电池汽车推广的最大障碍在于铂的高昂价格和稀少的产量。这种昂贵的金属对于燃料电池阴极的氧化还原反应尤其重要。在阴极，来自聚合物膜的质子、空气中的氧原子和来自电线的电子结合形成产物水。

最近，来自LBNL劳伦斯伯克利国家实验室和ANL阿贡国家实验室的化学家和材料科学家团队开发了一种创新的三维“纳米框架”催化剂，该催化剂在催化阳极氧化反应方面具有前所未有的性能，甚至大大超过了美国能源部2017年预测的技术水平。

这种双金属催化剂由铂和镍组成，具有中空、活性高、内外表面尺寸大的特点，使其效率和成本远优于目前的催化剂产品。

这种催化剂也可以在碱性水解槽中工作，将水分解为氧气和氢气。根据功耗的不同，它将来也可以用作氢气制备装置。碱性水解槽中有两个被膜隔开的电极，它们浸入以氢氧化钾为成分的碱性电解质中。研究人员将新型催化剂的性能与传统铂碳催化剂的性能进行了比较，发现新型催化剂性能提高了一个数量级。

近年来，世界各地的研究主要集中在将铂与其他更便宜的金属合金化，这可以降低催化剂的价格并保持性能不变。另一种改进方法是开发中空、笼状和多孔材料，以便在其中添加少量的贵金属催化剂。领导该项目的LBNL实验室化学家、加州大学伯克利分校教授杨培东（Peidong Yang）表示，这种非传统的几何结构使得定量改善物理和化学财产更加方便。

新型双金属纳米“笼”

杨培东说：“我们十年前就开始研究纳米粒子催化剂的溶解过程。起初，我们主要关注单一元素，如铂，并分析尺寸和形状对催化剂性能的影响。但随着研究的发展，我们越来越关注双金属催化剂，如铂镍、铂铜等。三四年前，我的两名博士后在将铂镍样品放入溶剂中时，观察到了一个意想不到的现象：他们发现……

双金属纳米颗粒样品在两周后逐渐形成新的形状。这对我们来说是一个意想不到的收获，但当我们观察到三维纳米框架结构的表面覆盖着催化位点时，我们肯定发现了一些有价值的东西。"

伯克利的研究人员随后查阅了现有文献，发现ANL实验室的化学家Vojislav Stamenkovic对大容量单晶催化剂基体做了大量研究。基于Vojislav的研究，可以得出结论，双金属材料也将是有前途的电化学催化剂。

空心结构

研究发现，溶液中的起始材料固态PtNi3多面体会转化为PtNi中间体，然后通过内部腐蚀转化为Pt3Ni纳米框架，氧原子可以穿过它。PtNi3多边形的边缘由高浓度的铂组成，这也保存在后来的Pt3Ni纳米框架中。最初的多面体由三个镍原子和一个铂原子组成，而最终的纳米框架正好相反。

斯塔缅科维奇说：“多面体是一种常见的纳米结构，多年来一直被用于催化剂研究。但我们的研究表明了其他解决方案的可能性。通过框架结构，我们将结构完全向外界开放，并去除材料中只占体积但没有功能的埋原子。最终，仍有相当数量的催化剂c位点，它们位于框架表面的各处，可以从多个方向接近。"

用氧气溶解的溶剂会在多面体内部产生溶解作用，最终形成中空的十二面体纳米框架结构。通过提高反应温度，反应时间从两周缩短到12小时。

在完成基本原材料的制备后，研究人员希望验证该材料在燃料电池堆内部电化学的恶劣环境中的稳定性，因此他们在纳米框架的铂原子外包裹了一层“保护层”，以提高其耐用性。通过在氩气中退火，在纳米框架的表面产生了由铂组成的“保护层”。

杨说：“我们猜测，氧原子将纳米镍颗粒带到了框架上，氩退火将铂带到了表面。”

超高活性催化剂

Pt3Ni框架结构的内外表面由纳米铂结构组成，增强了氧化还原反应活性。与最佳铂碳催化剂相比，纳米骨架催化剂的质量活性和比活性分别提高了36倍和22倍。目前，新材料尚未投入实际的燃料电池堆进行测试。

杨说：“与其他人工合成中空纳米结构的尝试相比，我们的方法不需要通电，不需要使用太强的氧化剂，只需要在空气中自发进行。铂镍纳米框架的开放结构符合先进纳米点催化剂设计中的一些规则，如高表面积比、良好的三维proximity和更少的贵金属消耗。"

这种新型催化剂大大减少了铂的含量，下一代低成本、高性能的排气催化剂很可能由此开发出来。

催化材料的合成过程可以很容易地放大，以克为单位满足实际应用。重要的是，该方法可以推广到其他合金纳米框架的合成，如铂钴合金、铂铜合金、铂铼镍合金和铂铅镍合金。

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