美国高校研究人员使用X射线寻找更廉价催化剂

2018-12-28 09:20

氢燃料电池是清洁和可再生能源领域极具前景的技术，但其阴极材料成本和活性是当前商业化拓展的主要挑战。

许多燃料电池需要昂贵的铂基催化剂“引发”和“加速”化学物质反应，进而促进可再生燃料向电能的转化。为了使氢燃料电池更具商业可行性，科学家们正在寻找实现纯铂相同效率，但价格更为便宜的催化材料。

“像电池一样，氢燃料电池将储存的化学能转化为电能，为氢燃料电池寻找廉价有效的催化剂，是实现这项技术商业可行的重要一环。”科学家阿德里安亨特表示。

通过参与全球范围内对燃料电池阴极材料的研究，阿克伦大学的研究人员开发出一种新方法，试用金属“铂”和“镍”合成催化剂，形成八面体（八面）形纳米颗粒。虽然科学家已将该种催化剂确定为纯铂最有效替代品之一，但研究人员仍没有完全理解合成催化剂为何要成长为八面体的存在。

为更好地了解增长过程，阿克伦大学的研究人员与多个机构合作，包括Brookhaven及其NSLS－II联合推进了进一步的观察和研究。

“了解催化剂如何形成，对于确定其结构、性质相关性和设计更好的催化剂方面起着关键作用。”阿克伦大学催化实验室首席研究员彭振梦表示：“铂镍系统的增长过程非常复杂，因此我们将与几个经验丰富的团队合作应对挑战。”

通过利用NSLS－II的超亮X射线、NSLS－II的原位以及Operando软X射线光谱（IOS）光束线的先进功能，研究人员实时揭示了催化剂生长途径的化学特征。

“我们将X射线导向样品，导致电子释放。通过分析这些电子的能量，我们能够区分样品中的化学元素，以及它们的化学和氧化态。”IOS的首席科学家Iradwikanari Waluyo解释。

科学家们在催化剂表面识别化学信息，并将其与内部进行比较。通过对比，他们发现在合成催化剂生长反应过程中，金属铂首先形成并成为纳米粒子的核心，当反应达到稍高温度时，铂有助于形成金属镍，后续金属镍将逐步偏析到纳米颗粒的表面。

在生成的最后阶段，催化剂颗粒表面会形成两种金属量大致相等的混合物，铂和镍间的有趣协同效应，在纳米粒子的八面体形状及反应性发展中起着重要作用。

“镍是一种廉价的材料，而铂十分昂贵。”亨特表示：“我们希望通过更多的研究，计算出在保持催化剂高活性的情况下，试用最少量的铂，创造出更具成本效益的催化剂。“

研究结果将取决于IOS的先进能力。“在IOS，我们能够在实际生长条件下，实时跟踪纳米粒子的成分和化学状态的变化。”相关研究人员表示。

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