燃料电池新催化剂大幅减少铂用量 大幅降低成本

据外媒报道，科学家们发现活性高而且稳定的新燃料电池催化剂，铂用量仅为目前材料的四分之一。铂是促进燃料电池反应的必要元素。然而，这种贵金属稀有又昂贵。在此次研究中，铂钴颗粒与不含贵金属的载体相互作用，有助于提高性能。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）的效能高，代表着未来的轻型和重型汽车动力总成方式。在汽车工业中，从内燃机跨越到燃料电池，需要降低材料成本，提升电池性能。新催化剂的铂用量明显降低，从而降低成本。从性能上看，使用新材料的燃料电池也超过美国能源部多项2025年目标。

如何降低催化剂中的铂含量，同时保持活性和稳定性，成为关注重点。目前在PEMFC电池的多种催化反应中，铂发挥着关键作用，包括分解氧气生成水。美国能源部科学用户设施办公室——阿贡国家实验室纳米材料中心（CNM）的科学家们，与阿贡、普渡大学和上海交通大学的科学家和工程师们，正在联手推进这项研究。

该团队共同开发一种协同催化系统，含有铂钴纳米颗粒和无铂基金属（PGM－free）基体。在合成过程中，将含钴多孔金属有机骨架转化为含钴、氮和碳的催化活性基体，由纳米金属晶体修饰，然后加入铂，形成具有核壳结构的铂钴纳米粒子，这一结构可通过电子显微镜观察到。按重量计算，这些催化剂只含有约3％的铂，而商用燃料电池催化剂中含有20％至30％的铂。研究小组评估运行中PEMFC电池的催化剂性能。结果表明，催化活性显著提高（数值为1．08 － 1．77 A mgPt－1，超过美国能源部2025年的目标0．44 A mgPt－1），持久性显著提高（在3万次电压循环后，仍保持高达初始值的64％）。计算模型显示，铂钴纳米粒子与无PGM位点之间的相互作用，有助于提升催化剂性能。