10月16日，美國布朗大學(xué)官網(wǎng)發(fā)布消息稱，校內(nèi)研究人員開發(fā)出一種新型合金催化劑，既能在燃料電池測試中保持良好的反應(yīng)性和耐用性，又能減少鉑的使用。

根據(jù)Joule期刊所述的測試結(jié)果，該催化劑在納米粒子中合金化鉑與鈷合金制成的催化劑，在反應(yīng)性、耐久性方面均超過了美國能源部（DOE）2020年的目標(biāo)。

布朗大學(xué)開發(fā)的新催化劑，將鉑原子的外殼與其核心中有序的鉑和鈷原子層結(jié)合，有序的原子層有助于收緊外殼并保護(hù)鈷，這使得催化劑更具反應(yīng)性和耐用性。

“合金催化劑的耐久性是該領(lǐng)域的一個(gè)大問題，”布朗大學(xué)的化學(xué)研究生，該研究的第一作者Junrui Li表示：“事實(shí)證明，合金最初的性能優(yōu)于純鉑，但在這種情況下，在燃料電池內(nèi)部，催化劑的非貴金屬部分會(huì)被氧化并迅速浸出�！�

為了解決這一浸出問題，Junrui Li和他的同事開發(fā)了具有特殊結(jié)構(gòu)的合金納米粒子。顆粒具有純鉑外殼，其圍繞由交替的鉑和鈷原子層制成的核心。布朗化學(xué)教授Shouheng Sun表示，這種分層核心結(jié)構(gòu)是催化劑反應(yīng)性和耐久性的關(guān)鍵。

“核心中原子的分層排列有助于平滑和收緊外殼中的鉑晶格，”Shouheng Sun解釋：“這增加了鉑的反應(yīng)性，同時(shí)保護(hù)鈷原子在反應(yīng)過程中不被吃掉。這就是為什么這些顆粒比隨機(jī)排列的金屬原子的合金顆粒表現(xiàn)得更好的原因�！�

在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，研究人員測試了催化劑進(jìn)行氧還原反應(yīng)的能力，這對(duì)燃料電池的性能和耐久性至關(guān)重要。在質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池的一側(cè)，從氫燃料中剝離的電子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流。在電池的另一側(cè)，氧原子吸收這些電子以完成電路。

初步測試表明，催化劑在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)良好，優(yōu)于更傳統(tǒng)的鉑合金催化劑。新催化劑在30000次電壓循環(huán)后保持其活性，而傳統(tǒng)催化劑的性能顯著下降。

但研究人員表示，雖然實(shí)驗(yàn)室測試對(duì)于評(píng)估催化劑的性質(zhì)非常重要，但它們并不一定能顯示催化劑在實(shí)際燃料電池中的表現(xiàn)。

與實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境相比，燃料電池環(huán)境更熱并且酸度不同，這可能加速催化劑降解。為了找出催化劑在該環(huán)境中的穩(wěn)定性，研究人員將催化劑送到洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)際燃料電池測試。

測試表明，該催化劑擊敗了美國能源部（DOE）為初始活動(dòng)和長期耐久性設(shè)定的目標(biāo)。此前，美國能源部已經(jīng)要求研究人員開發(fā)催化劑，到2020年初始活性為每毫克鉑0．44安培，30000次電壓循環(huán)后活性至少為0．26安培／毫克（大約相當(dāng)于燃料電池汽車使用5年）。

而新催化劑的測試表明，它具有0．56安培／毫克的初始活性和30000循環(huán)0．45安培后的活性。

“即使經(jīng)過30000次循環(huán)，我們的催化劑仍然超過了DOE的初始活動(dòng)目標(biāo)，”Shouheng Sun表示：“在現(xiàn)實(shí)世界的燃料電池環(huán)境中，這種表現(xiàn)真的很有希望。”

目前，研究人員已申請(qǐng)了關(guān)于催化劑的臨時(shí)專利，他們期望夠繼續(xù)開發(fā)和改進(jìn)催化劑。該項(xiàng)工作得到了美國能源部能源效率和可再生能源燃料電池技術(shù)辦公室的支持。