宾夕法尼亚大学：用更广泛的低成本金属制造燃料电池

目前，风能和太阳能等可再生能源正在迅速改变能源格局，科学家们急于寻找更好的储能方法，以备不时之需。燃料电池将化学能转化为电能，有可能是一种长期储能方案，也许有一天，不用燃烧燃料就能为卡车和汽车提供动力。为了推广燃料电池，化学家和工程师们需要找到方法，使这项技术更具成本效益和稳定性，才能实现广泛应用。 

据外媒报道，宾夕法尼亚大学研究人员展示，如何利用定制纳米材料来应对这些挑战。研究人员采用更便宜、广泛使用的金属，制造燃料电池，通过原子级设计，使材料具有长期稳定性。此项研究在宾大整合知识学院Christopher Murray教授所在的实验室进行，由研究生Jennifer Lee领头。

燃料电池依赖正负两个电极进行化学反应并产生动力，两个电极之间的电解质促进离子移动。当燃料进入负极时，催化剂会将分子分解成质子和电子。然后，电子又流向正极，并产生电流。催化剂通常由铂等贵金属制成。但是，由于化学反应只能在材料表面进行，任何末出现于表面的原子都会被浪费掉。同时，让催化剂长时间保持稳定也很重要，因为燃料电池很难更换。

为了解决这两个问题，化学家尝试设计表面含铂的纳米定制材料，并大量使用钴等更常见的金属，来提供稳定性。Murray团队擅长制造良好受控的纳米材料，即纳米晶体，可以控制所有复合纳米材料的大小、形状和构成。 在本项研究中，Lee重点研究一种特殊燃料电池的正极催化剂，称为质子交换膜燃料电池。她表示：“正极存在的问题更大，因为所使用的要么是铂，要么是铂基材料，不仅价格昂贵，而且反应速度慢。优质燃料电池的设计重点在于正极催化剂。”

ishkariani解释说，他们面临的挑战在于，使正极中铂和钴原子形成稳定的结构。“我们很清楚，钴和铂可以混合。但是，如果将这两种元素制成合金，就会形成随机顺序的铂和钴。而随机加入的钴会渗入电极，导致燃料电池的工作时间很短。”为了解决这一问题，研究人员设计出一种由层状铂和钴构成（金属间相）的催化剂。在催化剂中，精确控制每个原子的位置并锁定结构，比起随机加入的时候，正极催化剂的工作时间更长。研究人员意外发现，系统中添加的钴越多，效率越高。铂钴比达到1：1时，效果最好。

接下来，研究人员将对燃料电池组件中的金属间材料进行测试和评估，以便与商用系统直接进行比较。Murray团队还将探讨新的方法，在非高温情况下创造金属间结构，并观察额外添加原子能否提高催化剂性能。这项研究需要高分辨率显微镜成像。

Murray将这项基础研究视为起点，未来将推动商业实施和实际应用。她强调，以后的进展取决于目前的前瞻性研究。“想想这个世界，我们正在逐渐减少对传统化石燃料的投入，如果能搞清楚电能和化学能这种相互转换的过程，可以同时解决若干极为重要的问题。”