Science報道：鋸齒狀形貌提升催化劑性能

        加州大學伯克利分校（UCLA）聯合加利福尼亞理工大學的研究小組共同報(bào)道瞭(le)一種鋸齒狀結構的鉑納米線，呈現出優異的氧還原催化活性，與商業化鉑催化劑相比性能提升瞭(le)近50倍，極大地降低燃料電池貴金屬鉑用量，達到縮減電池生産成本的目的。爲科研工作者提供瞭(le)一種新的思路。

      來自加州大學伯克利分校（UCLA）以及加利福尼亞理工大學（Caltech）的國際研究小組發表瞭(le)改變(biàn)鉑納米線形貌的研究。本項研究将表面光滑的納米線轉變(biàn)爲具有鋸齒狀表面結構的納米線，進而極大降低瞭(le)燃料電池貴金屬催化劑用量和電池生産成本。

      燃料電池以氫氣和環境中的氧氣爲燃料，産生電子和唯一的副産物水蒸氣。因此，相比於(yú)利用不可再生化石燃料且排放溫室氣體造成大氣污染的内燃機，燃料電池作爲一種可持續的車用清潔能源技術，具有很廣闊的發展前景。但是，燃料電池嚴重依賴貴金屬鉑作爲化學反應催化劑，造成車用燃料電池造價高昂，限制瞭(le)其廣泛應用。

      但是，在Science刊登的一篇報道中，研究小組闡述瞭(le)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，增加瞭(le)新的催化活性位點，這有利於(yú)降低反應壁壘，提高氧還原反應速率。同時，細直徑的鉑納米線有利於(yú)鉑原子充分暴露在表面，使它們更容易參加反應，而非内嵌在納米線内部而無法加入催化反應。所有這些結果在降低催化反應鉑用量和電池成本的同時也能加大反應效率和發電速率。

      根據以上研究發現，新研發的具有鋸齒狀鉑(bó)納米線催化劑具有很高的活性，以至於(yú)可以将燃料電池的鉑(bó)用量降低至當今水平的1/50。

來自加州大學洛杉矶分校亨利·薩缪理工程和應用科學學院，材料科學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構功能化，獲得材料在功能應用中的巨大收益。對於(yú)材料科學家而言，這是一個有待我們去探究的奇妙世界。”

      黃煜和來自UCLA的化學與生物化學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研究所的成員。另一個(gè)主要研究者是來自加州理工大學的化學、材料科學和應用物理學教授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(bó)在燃料電池陰極側作爲關鍵的氧還原反應催化劑，直接将化學能轉化爲電能並(bìng)生成水蒸氣。氧氣還原反應是整個電池反應的速度決定步驟，鉑(bó)是目前唯一可靠的能夠加速反應、提高發電能力的催化劑。但是，現階段工藝水平的鉑(bó)催化劑因其活性不高，需要用量較大，因而電池生産成本較高。

     研究者通過兩步過程制備(bèi)出瞭(le)該納米線。第一步，通過熱處理制備(bèi)鉑-鎳合金納米線。然後，利用電化學方法選擇性移除合金纖維中的鎳原子，形成隻含鉑原子的看似具有絨毛的納米線。

     通過測試發現，鋸齒狀鉑(bó)納米線具有非常高的氧化還原活性，其性能與商業化催化劑相比提升瞭(le)近50倍。這極大地降低瞭(le)燃料電池鉑(bó)催化劑用量，也大大降低瞭(le)燃料電池的成本。

     “具有一維鋸齒表面結構的鉑(bó)納米線具有豐富的活性位點，能夠大幅度加速催化反應並(bìng)且該催化劑在多次循環測試後仍具有相當的穩定性，”段教授說道，“所以，這種結構能夠帶來性能上前所未有的突破。”

【上一篇：如何制備單原子催化劑？ 】

【下一篇：中國石油大學發現新型催化劑，性能提高67倍！ 】