燃料電池利用氫產(chǎn)生電能，同時(shí)排放的副產(chǎn)物只有水。然而，高性能催化劑的生產(chǎn)方法很復(fù)雜，而且要用到比較昂貴的鉑。因此，需要開發(fā)一種簡便且可擴(kuò)展的鉑基燃料電池催化劑生產(chǎn)方法，同時(shí)提高催化性能和穩(wěn)定性，并充分減少鉑使用量。

所開發(fā)催化劑及其PEMFC動(dòng)力性能的微觀（STEM和TEM）圖像。（圖片來源：韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所）

據(jù)外媒報(bào)道，為了解決這一問題，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所納米顆粒研究中心（CNR-IBS）的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種生產(chǎn)納米催化劑的新方法。

研究人員證明，通過簡單的熱處理，可以生產(chǎn)大小均勻（3-4nm）的鈷鉑（Co-Pt）合金納米顆粒。該方法結(jié)合了浸漬法易于合成的特點(diǎn)，另外類似于膠體法，可以精確控制納米晶體的大小和形狀。

這種創(chuàng)新Co-Pt合金納米催化劑由兩種帶相反電荷的金屬絡(luò)合物組成，特別是分別被聯(lián)吡啶和氯配體包圍的Co和Pt離子。

該團(tuán)隊(duì)提出假設(shè)，通過簡單的熱處理，可以將聯(lián)吡啶配體熱分解為碳?xì)?，從而保護(hù)不斷增長的Co-Pt合金納米顆粒。對熱處理?xiàng)l件進(jìn)行優(yōu)化后，研究人員成功地獲得了高度均勻的納米催化劑，其中納米粒子的尺寸僅為3-4nm。

Co-Pt合金納米催化劑的生長過程示意圖。（圖片來源：韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所）

在該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的納米催化劑中，Co和Pt原子以一種被稱為“金屬間相”的規(guī)則方式排列，其中不穩(wěn)定的Co原子被周圍的Pt原子所穩(wěn)定。此外，當(dāng)?shù)挥行诫s到碳載體上時(shí)，離聚物（質(zhì)子導(dǎo)體）均勻地分散在燃料電池的整個(gè)催化劑層上，從而便于向Co-Pt納米催化劑表面供應(yīng)氧氣。

這些結(jié)構(gòu)特征大大提高了質(zhì)子交換膜燃料電池的功率性能，使其具有5.9 kW/gPt的高比額定功率，大約是目前商用氫動(dòng)力車輛性能的兩倍。在很大程度上，該團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)的催化劑已實(shí)現(xiàn)了美國能源部設(shè)定的2025年目標(biāo)（以燃料電池穩(wěn)定長期運(yùn)行為目標(biāo)）。

該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)研究將促進(jìn)下一代燃料電池催化劑的發(fā)展。同時(shí)，將有助于提高合金納米催化劑的催化性能和耐久性，以用于其他各類電催化應(yīng)用。

研究負(fù)責(zé)人之一Hyeon Taeghwan 教授表示：“這項(xiàng)研究的關(guān)鍵起點(diǎn)是，設(shè)計(jì)一種新型雙金屬化合物作為前體材料。研究人員開發(fā)了一種平臺(tái)技術(shù)，通過簡單和可擴(kuò)展的方法，生產(chǎn)復(fù)雜形式的合金納米催化劑，最終在減少鉑使用量的情況下，提高了燃料電池的動(dòng)力性能?！?/p>

另外一位研究負(fù)責(zé)人Sung Yung-Eun教授表示：“在這項(xiàng)研究中，燃料電池的性能達(dá)到了先進(jìn)水平。如果再加上一些后續(xù)研究，預(yù)計(jì)在不久的將來會(huì)對氫動(dòng)力車輛行業(yè)的增長和實(shí)現(xiàn)氫經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響。”