科学家获得铂催化剂降解原子图像 助力延长燃料电池寿命

作为氢经济中的关键电极材料，铂降解严重缩短了电化学能量转换装置的寿命，如燃料电池等。据外媒报道，科学家首次阐明，铂原子移动是导致催化剂表面降解的原因。

图片来源：esrf官网

半个多世纪以来，铂一直被认为是氧还原反应的最佳催化剂之一，这是燃料电池中发生的关键反应之一。然而，要在交通领域大规模应用氢技术，需要具有长期高活性和稳定性的催化剂，铂很难满足这些需求。

德国基尔大学（Kiel University）的科学家们，与欧洲同步辐射光源（ESRF）、加拿大维多利亚大学（University of Victoria）、西班牙巴塞罗那大学（University of Barcelona）和德国尤里希研究中心（Forschungszentrum Julich）合作，发现了铂降解的原因和方式。基尔大学教授Olaf Magnussen表示：“我们得到了可以解释其中奥妙的原子图。”

为了达到这一目的，研究团队利用欧洲同步辐射光源（ESRF）的ID31光束线，从各个方面了解电解质溶液中铂电极的特性。他们发现了原子在氧化过程中如何排列，及其在表面上的移动方式，氧化是导致铂溶解的主要反应。这一发现打开了原子工程学的大门。研究人员Jakub Drnec称，“在这些新知识的基础上，我们可以设想将纳米颗粒的某些形状和表面排列作为目标，以提升催化剂的稳定性。我们也可以找到原子的移动方式，通过在表面添加添加剂，抑制原子的不当移动。”

在与实际装置类似的电化学条件下进行实验，是将研究结果转化为燃料电池技术的关键。“在氧化过程中，铂的表面会迅速发生变化。只有通过新的、非常快速的表面结构表征技术，才能进行测量。基尔大学的研究人员Timo Fuchs表示：“事实上，在ESRF共同开发的高能表面X射线衍射方法，是唯一能够在真实环境中提供此类信息的技术。”

这项研究的成功在于结合了ESRF的X射线测量、尤里希研究中心的高灵敏度溶解测量以及高级计算机模拟。巴塞罗那大学负责模拟工作的Federico Calle-Vallejo说：“只有将不同表征技术和理论计算结合起来，才能提供铂催化剂中纳米级原子的全貌。”

该团队将继续进行实验，进一步了解模拟催化剂颗粒边缘和角落的模型面的降解机制。这些结果将提供铂在反应条件下的稳定性图像，帮助研究人员制定合理的策略，在未来设计出更加稳定的催化剂。