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10月16日，美國布朗大學官網(wǎng)發(fā)布消息稱，校內(nèi)研究人員開發(fā)出一種新型合金催化劑，既能在燃料電池測試中保持良好的反應(yīng)性和耐用性，又能減少鉑的使用。

根據(jù)Joule期刊所述的測試結(jié)果，該催化劑在納米粒子中合金化鉑與鈷合金制成的催化劑，在反應(yīng)性、耐久性方面均超過了美國能源部（DOE）2020年的目標。

布朗大學開發(fā)的新催化劑，將鉑原子的外殼與其核心中有序的鉑和鈷原子層結(jié)合，有序的原子層有助于收緊外殼并保護鈷，這使得催化劑更具反應(yīng)性和耐用性。

“合金催化劑的耐久性是該領(lǐng)域的一個大問題，”布朗大學的化學研究生，該研究的第一作者Junrui Li表示：“事實證明，合金最初的性能優(yōu)于純鉑，但在這種情況下，在燃料電池內(nèi)部，催化劑的非貴金屬部分會被氧化并迅速浸出�！�

為了解決這一浸出問題，Junrui Li和他的同事開發(fā)了具有特殊結(jié)構(gòu)的合金納米粒子。顆粒具有純鉑外殼，其圍繞由交替的鉑和鈷原子層制成的核心。布朗化學教授Shouheng Sun表示，這種分層核心結(jié)構(gòu)是催化劑反應(yīng)性和耐久性的關(guān)鍵。

“核心中原子的分層排列有助于平滑和收緊外殼中的鉑晶格，”Shouheng Sun解釋：“這增加了鉑的反應(yīng)性，同時保護鈷原子在反應(yīng)過程中不被吃掉。這就是為什么這些顆粒比隨機排列的金屬原子的合金顆粒表現(xiàn)得更好的原因�！�

在實驗環(huán)節(jié)，研究人員測試了催化劑進行氧還原反應(yīng)的能力，這對燃料電池的性能和耐久性至關(guān)重要。在質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池的一側(cè)，從氫燃料中剝離的電子產(chǎn)生驅(qū)動電動機的電流。在電池的另一側(cè)，氧原子吸收這些電子以完成電路。

初步測試表明，催化劑在實驗室環(huán)境中表現(xiàn)良好，優(yōu)于更傳統(tǒng)的鉑合金催化劑。新催化劑在30000次電壓循環(huán)后保持其活性，而傳統(tǒng)催化劑的性能顯著下降。

但研究人員表示，雖然實驗室測試對于評估催化劑的性質(zhì)非常重要，但它們并不一定能顯示催化劑在實際燃料電池中的表現(xiàn)。

與實驗室測試環(huán)境相比，燃料電池環(huán)境更熱并且酸度不同，這可能加速催化劑降解。為了找出催化劑在該環(huán)境中的穩(wěn)定性，研究人員將催化劑送到洛斯阿拉莫斯國家實驗室進行實際燃料電池測試。

測試表明，該催化劑擊敗了美國能源部（DOE）為初始活動和長期耐久性設(shè)定的目標。此前，美國能源部已經(jīng)要求研究人員開發(fā)催化劑，到2020年初始活性為每毫克鉑0．44安培，30000次電壓循環(huán)后活性至少為0．26安培／毫克（大約相當于燃料電池汽車使用5年）。

而新催化劑的測試表明，它具有0．56安培／毫克的初始活性和30000循環(huán)0．45安培后的活性。

“即使經(jīng)過30000次循環(huán)，我們的催化劑仍然超過了DOE的初始活動目標，”Shouheng Sun表示：“在現(xiàn)實世界的燃料電池環(huán)境中，這種表現(xiàn)真的很有希望。”

目前，研究人員已申請了關(guān)于催化劑的臨時專利，他們期望夠繼續(xù)開發(fā)和改進催化劑。該項工作得到了美國能源部能源效率和可再生能源燃料電池技術(shù)辦公室的支持。