閃亮的殼：當(dāng)一個(gè)4納米的鉑銅合金納米粒（上）暴露在周期性的交流電中，銅原子從表面分離，生成一個(gè)富含鉑的殼。在掃描傳送式電子顯微鏡下，它的圖像更亮（下）。 來源：彼得•斯特拉瑟（Peter Strasser）
在氫燃料電池中，鉑及鉑合金是加快化學(xué)反應(yīng)速度的最有效的催化劑。鉑是唯一能承受電池中酸性環(huán)境的金屬，但是它很昂貴，這也限制了燃料電池廣泛、大規(guī)模的應(yīng)用。而且，世界上約90%鉑的供應(yīng)來自兩個(gè)國家——南非和俄羅斯。
這種新材料已經(jīng)達(dá)成了美國能源部2015年鉑催化劑的目標(biāo)：每毫克鉑至少產(chǎn)生0.44安培的電流。新材料每毫克鉑產(chǎn)生的電流能達(dá)到0.49安培，而且研究人員相信還能進(jìn)一步提高該材料的催化活性。“如果能找到另兩個(gè)（改善催化活性的）因素，我們認(rèn)為這些燃料電池中鉑所占的成本能使這項(xiàng)技術(shù)更具有可行性，” SLAC的物理學(xué)家安德斯•尼爾森（Anders Nilsson）說。
“這是一項(xiàng)出色的研究，能讓我們在燃料電池中使用更少的鉑，”位于魁北克的法國國家職業(yè)探索與安全研究所（Institut National de la Recherche Scientifique）的能源、材料和電信教授讓-保羅•多德雷（Jean-Pol Dodelet）說。
在傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜燃料電池的陽極，催化劑將氫分離成氫離子和電子，后者流出電池形成電流。在陰極，氧分子與電子和氫離子結(jié)合形成水。這個(gè)反應(yīng)很緩慢，加速這個(gè)反應(yīng)所需的鉑是陽極所需鉑的10倍。“如果你想替換鉑，那么換掉陰極的鉑更為重要，” 多德雷說。
休斯敦大學(xué)和柏林工業(yè)大學(xué)的化學(xué)工程教授彼得•斯特拉瑟從2005年開始研究新型催化劑，將銅鉑合金納米粒子涂到碳支持膜上。當(dāng)該材料施加上周期性的交流電時(shí)，銅從表面分離，為納米粒提供了一個(gè)富含鉑的外層。
在最近《自然化學(xué)》（Nature Chemistry）上的一篇文章中，研究人員揭示了使得這種催化劑比常規(guī)的鉑更具活性的機(jī)理。通過研究怎樣利用新的催化劑分散X射線，他們發(fā)現(xiàn)留在納米粒表面的鉑原子之間的距離比純鉑納米原子中的距離小。好的催化劑應(yīng)該能將氧分子分裂成原子，但不應(yīng)與自由原子捆綁過于強(qiáng)烈；新材料中，鉑原子間的距離較小，使得它成為更有效的催化劑，因?yàn)樗c氧原子的捆綁較弱。
作為催化劑，鉑有替代品。多德雷及他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)和通用汽車合作研發(fā)一種前景看好的鐵基催化劑，現(xiàn)在他們正在努力將其商業(yè)化。同時(shí)，低成本堿性燃料電池用碳納米管催化劑和鎳催化劑也在研發(fā)過程中。
除了廉價(jià)，無鉑催化劑還有其他優(yōu)點(diǎn)，俄亥俄州代頓大學(xué)的材料工程教授戴利明（音譯）說，他正在研究碳納米管催化劑。隨著時(shí)間的推移，鉑納米粒會(huì)聚集成更大的粒子，或者表面粘上一氧化碳，從而失去催化效率。從長期來看，碳納米管更耐用，戴表示。
“這是很有趣的工作，也是重要的進(jìn)步，因?yàn)檫@一機(jī)理可能用于其他催化劑，”戴這樣評價(jià)新的鉑催化劑。“研究這種核—殼催化劑長期的穩(wěn)定性和一氧化碳表層的中毒效應(yīng)是很有意思的。”
斯特拉瑟也同意這種新的催化劑還需要進(jìn)一步的測試。但是，核—殼粒子的較大尺寸使得它們在本質(zhì)上比純鉑更加穩(wěn)定，他表示。選擇這種金屬也有影響。“我們有信心，核心處的非鉑金屬，如鈷和鎳，能解決穩(wěn)定性的問題，同時(shí)保持核—殼結(jié)構(gòu)的活性優(yōu)勢，” 斯特拉瑟說。
這種新材料也已經(jīng)過了工作中的燃料電池的測試，這可能是一個(gè)重要的市場優(yōu)勢。“大多數(shù)其他的催化劑用的都是電化學(xué)測試，”他說。“它們有在將來使用的潛力，但是我們的這種（新催化劑）是一種能用于今天實(shí)際燃料電池中的東西。”
