研究人員的石墨烯包裹合金產(chǎn)生了非凡的結(jié)果：催化活性提高75倍，功率提高約20%，在燃料電池的預(yù)期壽命結(jié)束時，其催化活性提高約35%，在模擬6000至7000小時使用的測試后，功率損失減少，首次超過了5000小時的目標。資料來源：加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）Huang Group
文章來源：techxplore | 翻譯：世界鉑金投資協(xié)會
盡管內(nèi)燃機對社會進步具有重要意義，但它也是損害人類健康的污染來源和加劇氣候危機的碳排放的主要原因。美國近30%的碳排放來自交通運輸，而95%的交通運輸使用化石燃料。
一種可行的補救措施是使用氫燃料電池為車輛提供動力，這種氫燃料電池只排放水蒸氣。然而，這種可持續(xù)發(fā)展的解決方案有一個有諷刺意味、不可持續(xù)的內(nèi)在方面，即從氫氣中汲取能量所需的催化劑涉及稀有而昂貴的金屬，如鉑金。就當今技術(shù)的使用量而言，廣泛采用這些金屬的數(shù)量將超出人類所能獲得的數(shù)量。
加州大學(xué)洛杉磯分校的一位教授最近在《自然-納米技術(shù)》上發(fā)表的一項研究可能代表了一個轉(zhuǎn)折點。研究人員報告了一種方法能夠滿足并超越能源部設(shè)定的高催化劑性能、高穩(wěn)定性和低鉑用量的宏偉目標。他們破紀錄地使用了鉑鈷合金的微型晶體，每個晶體都嵌入了石墨烯制成的納米袋中，而石墨烯也因包括一層只有一原子厚的碳而被稱為二維材料。
與目前尚未達到的嚴格的美國能源部催化劑標準相比，該研究人員的石墨烯包裹的合金產(chǎn)生了非凡的結(jié)果。
- 在燃料電池的預(yù)期壽命結(jié)束時，催化活性提高約20%
- 在模擬6000至7000小時使用的測試后，功率損失減少約35%，首次超過了5000小時的目標
責(zé)任作者、加州大學(xué)洛杉磯分校塞繆里工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系教授兼系主任、加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究所成員Yu Huang說："這是以前從未做過的事情，這一發(fā)現(xiàn)也涉及了一些機緣巧合。我們知道我們正在研究的東西可能會讓更小的粒子穩(wěn)定，但沒有想到它的效果會這么好。"
今天，全球鉑金及類似金屬總供應(yīng)量的一半被用于化石燃料驅(qū)動的汽車催化轉(zhuǎn)換器，這是一種可以降低其排放物毒性的組件，每輛車需要2到8克鉑金。相比之下，目前每輛氫燃料電池汽車大約使用36克鉑金。在Huang和她的團隊測試的最低載鉑量下，每輛氫動力汽車只需要6.8克鉑金。
那么，研究人員是如何用較少的鉑金獲得更多的能量的呢？他們把鉑基催化劑分解成平均長度為3納米的顆粒。一納米是十億分之一米，這些納米顆粒非常微小，以至于需要3萬多個首尾相連的納米顆粒才能鋪成一張紙的厚度。顆粒越小，表面積越大，而表面積越大意味著發(fā)生催化活動的地產(chǎn)越多。
然而，之前通過小型氫燃料電池催化劑獲得更好性能的嘗試依然遇到了瓶頸。就其本身而言，小顆粒往往會從一個表面脫落，或聚集成更大的顆粒，因此它們并沒有那么耐用。
Huang和她的同事通過在二維材料石墨烯中包裹催化劑顆粒來解決這一限制。與通常在煤或鉛筆芯中看到的大塊碳相比，這種薄層碳具有驚人的能力，能有效地導(dǎo)電和導(dǎo)熱，在相同厚度下，其強度是鋼的100倍。他們研究的鉑鈷合金被還原成顆粒。在被集成到燃料電池中之前，這些顆粒被石墨烯納米盒包圍，可以作為一種錨，以防止顆粒移動，這對商用車所需的耐用性水平是非常關(guān)鍵的。同時，石墨烯允許每個催化劑納米顆粒周圍有一個大約1納米的微小間隙，這意味著關(guān)鍵的電化學(xué)反應(yīng)可以發(fā)生。Huang說：“這是一種直覺。如果你給顆粒設(shè)置一個上限，允許反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生，但將顆粒限制在那個地方，它將解決耐久性問題，但在如此小的規(guī)模上實現(xiàn)耐久性是非常具有挑戰(zhàn)性的?！?/section>這一最新進展是在Huang領(lǐng)導(dǎo)的最近一項合作研究之后取得的，該研究建立了一個預(yù)測鉑基合金催化活性和耐久性的模型，可用于指導(dǎo)催化劑的設(shè)計，、開創(chuàng)了同類研究的先例。她和她的團隊正在努力將他們的實驗結(jié)果轉(zhuǎn)化為可以推向市場的實用技術(shù)，并希望能夠為綠色能源和可持續(xù)發(fā)展努力添磚加瓦。(來源:techxplore)
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