燃料電池具有高效率和環(huán)保特性，因此在燃料電池汽車（FCV）中得到越來越廣泛的應(yīng)用，如汽車、叉車、公共汽車和飛機等。然而，這種電池的催化劑生產(chǎn)成本高，使其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用受到阻礙。 
（圖片來源：中科大）
燃料電池催化劑通常由鉑或鉑合金制成，將過渡金屬薄層涂覆在多孔碳載體上。鉑是一種理想的催化材料，能夠有效抵抗酸性條件，并有效提高化學反應(yīng)速度。然而，這種材料的儲量有限，成本較高。因此，開發(fā)和篩選低鉑含量、高催化活性的新型催化劑，是實現(xiàn)燃料電池商業(yè)化的迫切需要。
據(jù)外媒報道，中國科技大學（USTC）等機構(gòu)的研究人員，通過高溫硫錨定方式，成功合成小尺寸鉑金屬間納米顆粒（i-NP）催化劑，其中鉑載量超低，并具有高質(zhì)量活性。研究人員還建立了i-NP庫，包括46種鉑納米粒子（NPs），以篩選低成本、耐用的電極材料，并系統(tǒng)地探索i-NPs 的結(jié)構(gòu)和活性關(guān)系。
i-NPs具有獨特的原子有序特性，在許多化學反應(yīng)中表現(xiàn)出卓越的催化性能，因此備受關(guān)注。然而，在合成i-NPs的高溫環(huán)境中，不可避免會出現(xiàn)金屬燒結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生更大的晶粒。這會減少比表面積，并降低材料的催化活性，最終降低鉑利用率，提高燃料電池的成本。
該研究團隊利用鉑和硫之間強勁的化學相互作用。在摻硫碳（S-C）載體上制備鉑金屬間化合物，以抑制NPs高溫燒結(jié)，并獲得平均尺寸<5nm的原子有序i-NPs。S-C載體具有良好的抗燒結(jié)性能，在1000℃高溫退火后得到的Pt NPs平均直徑仍小于5 nm。而經(jīng)過同樣的退火過程，商用炭黑載體上的Pt燒結(jié)嚴重。
為了利用這種抗燒結(jié)性能，研究人員在S-C載體上合成了46種小尺寸鉑基i-NPs，并建立了i-NP庫。具體的光譜表征結(jié)果，驗證了Pt-S鍵之間的強化學相互作用。此外，X射線衍射（XRD）結(jié)果表明，庫中的i-NP催化劑有序度高、尺寸小，與高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）的觀察統(tǒng)計分析相一致。
研究負責人梁海偉教授表示：“基于i-NP庫，可以系統(tǒng)性研究催化劑結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系。樣本數(shù)量充足，有助于我們篩選有效的催化劑，有望大幅降低燃料電池的成本?！毖芯咳藛T篩選出i-NPs，并將其應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）。在氧化還原反應(yīng)中，這些催化劑表現(xiàn)出卓越的電催化性能。尤其是氫－空氣PEMFC，盡管i-NPs的鉑負載量比Pt/C低11.5倍，這些i-NP催化劑的正極仍表現(xiàn)出與Pt/C正極相當?shù)男阅堋?BR> 這項研究為合成氫燃料電池用鉑合金催化劑提供了一條通用途徑。這種方法有望減少鉑使用量，從而降低燃料電池成本。粱教授表示：“通過設(shè)計碳載體的多孔結(jié)構(gòu)和表面功能，可以進一步提高燃料電池的效率，從而加快其從實驗室向公眾的轉(zhuǎn)移?！?/P>
（轉(zhuǎn)載）
