科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)活性高而且穩(wěn)定的新燃料電池催化劑，鉑用量僅為目前材料的四分之一

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)活性高而且穩(wěn)定的新燃料電池催化劑，鉑用量僅為目前材料的四分之一。鉑是促進(jìn)燃料電池反應(yīng)的必要元素。然而，這種貴金屬稀有又昂貴。在此次研究中，鉑鈷顆粒與不含貴金屬的載體相互作用，有助于提高性能。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的效能高，代表著未來的輕型和重型汽車動(dòng)力總成方式。在汽車工業(yè)中，從內(nèi)燃機(jī)跨越到燃料電池，需要降低材料成本，提升電池性能。新催化劑的鉑用量明顯降低，從而降低成本。從性能上看，使用新材料的燃料電池也超過美國能源部多項(xiàng)2025年目標(biāo)。

如何降低催化劑中的鉑含量，同時(shí)保持活性和穩(wěn)定性，成為關(guān)注重點(diǎn)。目前在PEMFC電池的多種催化反應(yīng)中，鉑發(fā)揮著關(guān)鍵作用，包括分解氧氣生成水。美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室——阿貢國家實(shí)驗(yàn)室納米材料中心(CNM)的科學(xué)家們，與阿貢、普渡大學(xué)和上海交通大學(xué)的科學(xué)家和工程師們，正在聯(lián)手推進(jìn)這項(xiàng)研究。

該團(tuán)隊(duì)共同開辟一種協(xié)同催化系統(tǒng)，含有鉑鈷納米顆粒和無鉑基金屬(PGM-free)基體。在合成過程中，將含鈷多孔金屬有機(jī)骨架轉(zhuǎn)化為含鈷、氮和碳的催化活性基體，由納米金屬晶體修飾，然后加入鉑，形成具有核殼結(jié)構(gòu)的鉑鈷納米粒子，這一結(jié)構(gòu)可通過電子顯微鏡觀察到。按分量計(jì)算，這些催化劑只含有約3%的鉑，而商用燃料電池催化劑中含有20%至30%的鉑。研究小組評(píng)估運(yùn)行中PEMFC電池的催化劑性能。結(jié)果表明，催化活性顯著提高(數(shù)值為1.08 - 1.77 A mgPt-1，超過美國能源部2025年的目標(biāo)0.44 A mgPt-1)，持久性顯著提高(在3萬次電壓循環(huán)后，仍保持高達(dá)初始值的64%)。計(jì)算模型顯示，鉑鈷納米粒子與無PGM位點(diǎn)之間的相互作用，有助于提升催化劑性能。