2007年1月30日
交通能源领域终极绿色梦想——汽车用氢燃料电池的开发又近了一步。美国能源部的研究人员劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和阿贡国家实验室已经发现了一种新的铂镍合金变体，它是迄今为止报道过的最活跃的氧气还原催化剂。阴极(燃料电池的正电电极)上的氧还原催化反应速度缓慢，一直是阻碍聚合物电解质膜(PEM)燃料电池发展的主要因素。聚合物电解质膜燃料电池通常用于氢动力汽车。
“随着稳定的阴极催化剂的发展，PEM燃料电池技术在运输领域应用面临的现有限制可能会被消除，这种催化剂的活性比目前最先进的催化剂提高了几个数量级，这正是我们的发现有潜力提供的。”Vojislav Stamenkovic说，他是一名科学家，在伯克利实验室和阿贡的材料科学部都有任职。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球
Stamenkovic和Argonne的资深科学家Nenad Markovic是一项研究的通讯作者，他们的研究结果现在可以在《科学》杂志的网上找到。欧洲杯线上买球这篇题为《通过增加表面位置可用性提高Pt3Ni(111)上的氧还原活性》的论文报道了一种铂镍合金，该合金提高了燃料电池阴极的催化活性，比目前使用的铂碳阴极催化剂惊人地提高了90倍。
Stamenkovic说:“这种表面为PEM燃料电池的催化活性设置了新的标准，使其能够在不损失电池电压的情况下达到美国能源部(DOE)的铂比功率密度目标。”
除了Stamenkovic和Markovi欧洲杯线上买球c，《科学》论文的其他作者还有伯克利实验室的Philip Ross和Bongjin Mun，英国利物浦大学的Ben Fowler和Christopher Lucas，以及南卡罗莱纳大学的王国峰。
燃料电池可以在不燃烧的情况下将化学能转化为电能，因此它可能是最高效、最清洁的发电技术。对于直接利用氢的燃料电池来说尤其如此，因为氢的副产品只有水。氢动力燃料电池在汽车中使用最多的是PEM燃料电池(也被称为“质子交换膜燃料电池”)，因为它们可以在相对较小、重量较轻的设备中提供高功率。与电池不同的是，PEM燃料电池不需要充电，而是依赖于氢气供应和从大气中获取氧气。
PEM燃料电池为美国宇航局的太空计划提供了令人钦佩的服务，但它们仍然过于昂贵，无法用于汽车或大多数其他地球上的应用。最大的成本因素是它们对铂的依赖，铂被用作阴极催化剂。PEM燃料电池由位于聚合物电解质膜两侧的阴极和阳极(带负电荷的电极)组成。聚合物电解质膜是一种经过特殊处理的物质，可以导电带正电荷的质子，阻挡带负电荷的电子。
像其他类型的燃料电池一样，PEM燃料电池进行两个反应，一个是在阳极的氧化反应，一个是在阴极的氧还原反应(ORR)。对于PEMs来说，这意味着氢分子在阳极分裂成质子和电子对。当质子通过薄膜时，被阻挡的电子通过导线(电流)，通过负载，最终进入阴极。在阴极，电子与通过薄膜的质子以及氧原子结合，产生水。氧(O)来自于空气中的分子(O2)，这些分子被阴极催化剂分解成O原子对。
Stamenkovic说:“PEM燃料电池的大规模应用是可再生氢能源经济的基础，是满足全球能源需求的一个领先概念。”
“由于PEM燃料电池开发的唯一副产品是水蒸气，它们的广泛使用将对温室气体排放和全球变暖产生巨大的有益影响。”
铂金一直是一个挑战。虽然纯铂是一种异常活跃的催化剂，但它非常昂贵，而且它的性能会由于产生不必要的副产物而迅速降低，比如氢氧根离子。氢氧化物对与铂原子结合有亲和力当它们这样做的时候它们会把铂原子从催化过程中带走。随着铂结合的继续，阴极的催化能力减弱。因此，研究人员一直在研究使用铂合金结合表面富集技术。在这种情况下，阴极表面覆盖着一层铂原子“皮肤”，下面是由铂和非贵金属(如镍或钴)组合而成的原子层。亚表面合金以一种提高阴极整体性能的方式与蒙皮相互作用。
在这项最新的研究中，Stamenkovic和Markovic以及他们的同事在超高真空(UHV)室中，通过一系列原子晶格结构创造了纯铂镍合金单晶。然后，他们使用了表面敏感探针和电化学技术的组合来测量这些晶体执行ORR催化的各自能力。然后将各样品的ORR活性与铂单晶和铂碳催化剂的ORR活性进行比较。
研究人员发现，铂镍合金结构Pt3Ni(111)在阴极催化剂上显示出最高的ORR活性——比纯铂(111)的单晶表面高出10倍，比铂碳表面高出90倍。在这种(111)结构中，表面表面是一层紧密排列的铂原子，位于由相同数量的铂原子和镍原子组成的层的顶部。最上面两层下面的所有层都由三个铂原子和一个镍原子组成。
根据Stamenkovic的说法，Pt3Ni(111)结构作为一种缓冲液来对抗氢氧根和其他铂结合分子，钝化它们与阴极表面的相互作用，并允许更多的ORR活性。还原的铂结合也减少了阴极表面的降解。
Stamenkovic说:“我们已经确定了一种阴极表面，它能够达到甚至超过催化活性的目标，提高了燃料电池中阴极反应的稳定性。”“尽管铂镍合金本身是众所周知的，但我们能够控制和调整关键参数，使我们能够做出这一发现。我们的研究证明了新的分析工具在表征纳米尺度表面方面的潜力，从而在理想的方向微调它们的性质。”
Stamenkovic说，下一步将是设计具有模拟Pt3Ni(111)纯单晶表面的电子和形态特性的纳米颗粒催化剂。
http://www.lbl.gov