科学家从原子层面进行研究 用金保护铂催化剂

聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）作为一种节能环保的能源，越来越受到人们的关注。然而，由于材料的性能限制，这种类型的电池尚未实现大规模的商业应用。据外媒报道，美国能源部阿贡国家实验室的科学家带领一个团队研究了PEMFC电池的反应，以开发燃料电池技术并进一步开发其市场潜力。

阿贡国家实验室的阿贡PEMFC电池使用氢气作为燃料，并在负极进行氢气氧化反应以氧化氢气，而空气中的氧气用于正极的氧气还原反应。燃料电池通过这些过程发电，为汽车和其他应用中的电动机提供电力，唯一的副产品是排放的水。在燃料电池中，铂基纳米颗粒是促进反应的最有效材料，包括正极处的氧还原反应。然而，除了昂贵之外，铂纳米颗粒还会逐渐降解，尤其是在正极，这会影响催化性能并缩短燃料电池的寿命。研究团队采用一种新的方法，在原子和分子水平上研究铂的溶解过程，确定正极氧还原过程中的降解机制，并指导设计使用金消除铂溶解的纳米催化剂。阿贡材料科学系的高级科学家Vojislav Stamenkovic说：“在燃料电池的高腐蚀性环境中，铂在原子和分子水平上溶解。这影响了燃料电池的长期运行，并对其在运输领域的应用构成障碍，尤其是在长途卡车等重型车辆应用中。”。“科学家们使用了一系列定制的表征工具来研究单晶表面薄膜和纳米颗粒中定义明确的铂结构的溶解。首席研究员Pietro Papa Lopes表示，”我们开发了原子级观测能力，以了解溶解机制并确定溶解发生的条件。然后，我们将这些知识应用于材料设计，以减少溶解并提高耐久性。“该团队使用表面特定工具、电化学方法、电感耦合等离子体质谱、计算模型和原子力、扫描隧道和高分辨率透射显微镜，从基础水平研究溶解的本质。此外，科学家使用高精度合成方法创建具有明确物理和化学财产的结构，并将2D表面研究中发现的结构和稳定性之间的关系应用于它们产生的3D纳米颗粒。洛佩斯说：“我们进行了从单晶到薄膜再到纳米颗粒的研究。这些研究向我们展示了如何合成铂催化剂并提高其耐用性。通过研究不同的材料，我们还发现了使用黄金保护铂的策略。”。“科学家通过观察几种实验场景中发生的溶解现象，揭示了溶解的本质。观察表明，添加黄金可以减缓溶解过程。研究人员使用了美国能源部科学用户设施办公室的透射电子显微镜设备（阿贡纳米材料中心和橡树岭国家实验室纳米材料科学中心）对合成后和操作前后的铂纳米颗粒进行成像。科学家们利用这项技术来比较添加和不添加金的纳米颗粒的稳定性。研究团队发现，将金控制在核心位置可以促进铂在最佳表面结构中的排列，从而确保高稳定性。此外，金被选择性地沉积在表面，以保护研究小组确定为特别可溶的区域。通过这种策略，铂原子附着在仍然可以有效催化ORR的位点上，即使是本研究中使用的最小纳米颗粒也可以避免铂的溶解。该团队还在开发预测老化的算法，以评估铂基纳米颗粒的耐久性。他们发现，与不含金的纳米颗粒相比，铂基纳米颗粒的耐用性提高了30倍。

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