科学家从原子层面进行研究 用金保护铂催化剂

作为节能环保型能源，聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)越来越受到关注。但是，由于受到材料的性能限制，这种电池还末实现大规模商业化应用。据外媒报道，美国能源部阿贡国家实验室的科学家们带领团队研究PEMFC电池的反应，以开发燃料电池技术，进一步发挥其市场潜力。

阿贡国家实验室

阿贡PEMFC电池以氢为燃料，在电池负极通过氢氧化反应来氧化氢，而空气中的氧在正极被用于氧还原反应。燃料电池通过此类过程产生电能，为汽车和其他应用中的电动机提供动力，而唯一的副产品就是所排出的水。在燃料电池中，基于铂的纳米颗粒是最有效的促进反应的材料，包括正极的氧还原反应（ORR）。然而，除了成本昂贵之外，铂纳米颗粒还会逐渐降解，尤其是在正极，这会影响催化性能，并缩短燃料电池的寿命。

研究团队采用新方法，从原子和分子层面上研究铂的溶解过程，确定正极氧还原过程中的降解机理，并以此指导设计纳米催化剂，使用金来消除铂的溶解。阿贡材料科学部的资深科学家Vojislav Stamenkovic表示:“在燃料电池中的高腐蚀性环境下，铂会在原子和分子层面上发生溶解。这会影响燃料电池的长期运行，为燃料电池在运输领域的应用带来障碍，特别是在重型汽车应用领域，如长途卡车。”

科学家们采用一系列定制表征工具，研究在单晶表面、薄膜和纳米颗粒中界限清晰的铂结构的溶解。主要研究人员Pietro Papa Lopes表示：“我们开发了原子层面观察能力，以了解溶解机制，并确定溶解发生的条件。然后，我们将这些知识应用至材料设计中，以减少溶解并增加耐久性。”

该团队使用表面专用工具、电化学方法、电感耦合等离子质谱、计算模型和原子力、扫描隧道和高分辨率透射显微镜，从基本层面上研究溶解的本质。此外，科学家们通过高精度合成方法，创建具有明确物理和化学性质的结构，将在2D表面研究中发现的结构和稳定性的关系，应用至他们生产的3D纳米颗粒上。Lopes说:“我们从单晶到薄膜、再到纳米颗粒进行研究。这些研究向我们展示如何合成铂催化剂，提高耐久性。通过研究不同的材料，我们也发现了用金保护铂的策略。”

科学家们通过观察在几个试验场景中发生的溶解现象，揭示溶解的本质。观察发现，可以通过添加金来减缓溶解进程。研究人员利用美国能源部科学用户设施办公室(阿贡纳米材料中心和橡树岭国家实验室的纳米材料科学中心)的透射电子显微镜设施，对合成后及操作前后的铂纳米粒子进行成像。科学家们利用这项技术，比较纳米颗粒在加入和不加入金的情况下的稳定性。

研究小组发现，在核心位置有控制地置入金，可以促进铂在最佳表面结构中的排列，从而保证高稳定性。此外，金被选择性地沉积在表面，以保护研究小组认定特别容易溶解的位置。通过这种策略，使铂原子附着在仍能有效催化ORR的位点上，即使是本研究中使用的最小纳米颗粒，也可以避免发生铂溶解。

该团队还在开发预测老化的算法，以评估铂基纳米颗粒的耐久性。他们发现，与不含金的纳米颗粒相比，铂基纳米颗粒的耐久性提高了30倍。