Science報道：鋸齒狀形貌提升催化劑性能

        加州大學(xué)伯克利分校（UCLA）聯(lián)合加利福尼亞理工大學(xué)的研究小組共同報道了一種鋸齒狀結(jié)構(gòu)的鉑納米線，呈現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原催化活性，與商業(yè)化鉑催化劑相比性能提升了近50倍，極大地降低燃料電池貴金屬鉑用量，達到縮減電池生產(chǎn)成本的目的。為科研工作者提供了一種新的思路。

      來自加州大學(xué)伯克利分校（UCLA）以及加利福尼亞理工大學(xué)（Caltech）的國際研究小組發(fā)表了改變鉑納米線形貌的研究。本項研究將表面光滑的納米線轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袖忼X狀表面結(jié)構(gòu)的納米線，進而極大降低了燃料電池貴金屬催化劑用量和電池生產(chǎn)成本。

      燃料電池以氫氣和環(huán)境中的氧氣為燃料，產(chǎn)生電子和唯一的副產(chǎn)物水蒸氣。因此，相比于利用不可再生化石燃料且排放溫室氣體造成大氣污染的內(nèi)燃機，燃料電池作為一種可持續(xù)的車用清潔能源技術(shù)，具有很廣闊的發(fā)展前景。但是，燃料電池嚴重依賴貴金屬鉑作為化學(xué)反應(yīng)催化劑，造成車用燃料電池造價高昂，限制了其廣泛應(yīng)用。

      但是，在Science刊登的一篇報道中，研究小組闡述了如何利用鋸齒狀鉑納米線提高催化劑的電催化活性。形成的這種鋸齒狀而非光滑表面的鉑納米線，增加了新的催化活性位點，這有利于降低反應(yīng)壁壘，提高氧還原反應(yīng)速率。同時，細直徑的鉑納米線有利于鉑原子充分暴露在表面，使它們更容易參加反應(yīng)，而非內(nèi)嵌在納米線內(nèi)部而無法加入催化反應(yīng)。所有這些結(jié)果在降低催化反應(yīng)鉑用量和電池成本的同時也能加大反應(yīng)效率和發(fā)電速率。

      根據(jù)以上研究發(fā)現(xiàn)，新研發(fā)的具有鋸齒狀鉑納米線催化劑具有很高的活性，以至于可以將燃料電池的鉑用量降低至當今水平的1/50。

來自加州大學(xué)洛杉磯分校亨利·薩繆理工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，材料科學(xué)與工程的黃煜教授說道：“這個研究是個很好的例子，說明我們可以通過納米材料的原子尺度調(diào)控和微小維度下的結(jié)構(gòu)功能化，獲得材料在功能應(yīng)用中的巨大收益。對于材料科學(xué)家而言，這是一個有待我們?nèi)ヌ骄康钠婷钍澜??！?/p>

      黃煜和來自UCLA的化學(xué)與生物化學(xué)教授段鑲峰是這篇文章的共同作者。他們都是UCLA加利福尼亞納米系統(tǒng)研究所的成員。另一個主要研究者是來自加州理工大學(xué)的化學(xué)、材料科學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)教授William Goddard。第一作者是來自UCLA，由黃教授和段教授指導(dǎo)的博士生Mufan Li。

      鉑在燃料電池陰極側(cè)作為關(guān)鍵的氧還原反應(yīng)催化劑，直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能并生成水蒸氣。氧氣還原反應(yīng)是整個電池反應(yīng)的速度決定步驟，鉑是目前唯一可靠的能夠加速反應(yīng)、提高發(fā)電能力的催化劑。但是，現(xiàn)階段工藝水平的鉑催化劑因其活性不高，需要用量較大，因而電池生產(chǎn)成本較高。

     研究者通過兩步過程制備出了該納米線。第一步，通過熱處理制備鉑-鎳合金納米線。然后，利用電化學(xué)方法選擇性移除合金纖維中的鎳原子，形成只含鉑原子的看似具有絨毛的納米線。

     通過測試發(fā)現(xiàn)，鋸齒狀鉑納米線具有非常高的氧化還原活性，其性能與商業(yè)化催化劑相比提升了近50倍。這極大地降低了燃料電池鉑催化劑用量，也大大降低了燃料電池的成本。

     “具有一維鋸齒表面結(jié)構(gòu)的鉑納米線具有豐富的活性位點，能夠大幅度加速催化反應(yīng)并且該催化劑在多次循環(huán)測試后仍具有相當?shù)姆€(wěn)定性，”段教授說道，“所以，這種結(jié)構(gòu)能夠帶來性能上前所未有的突破?！?/p>

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