蓋世汽車訊 燃料電池具有高效率和環保特性，因此在燃料電池汽車（FCV）中得到越來越廣泛的應用，如汽車、叉車、公共汽車和飛機等。然而，這種電池的催化劑生產成本高，使其大規模生產和應用受到阻礙。 

（圖片來源：中科大）

燃料電池催化劑通常由鉑或鉑合金制成，將過渡金屬薄層涂覆在多孔碳載體上。鉑是一種理想的催化材料，能夠有效抵抗酸性條件，并有效提高化學反應速度。然而，這種材料的儲量有限，成本較高。因此，開發和篩選低鉑含量、高催化活性的新型催化劑，是實現燃料電池商業化的迫切需要。

據外媒報道，中國科技大學（USTC）等機構的研究人員，通過高溫硫錨定方式，成功合成小尺寸鉑金屬間納米顆粒（i-NP）催化劑，其中鉑載量超低，并具有高質量活性。研究人員還建立了i-NP庫，包括46種鉑納米粒子（NPs），以篩選低成本、耐用的電極材料，并系統地探索i-NPs 的結構和活性關系。

i-NPs具有獨特的原子有序特性，在許多化學反應中表現出卓越的催化性能，因此備受關注。然而，在合成i-NPs的高溫環境中，不可避免會出現金屬燒結現象，導致產生更大的晶粒。這會減少比表面積，并降低材料的催化活性，最終降低鉑利用率，提高燃料電池的成本。

該研究團隊利用鉑和硫之間強勁的化學相互作用。在摻硫碳（S-C）載體上制備鉑金屬間化合物，以抑制NPs高溫燒結，并獲得平均尺寸<5nm的原子有序i-NPs。S-C載體具有良好的抗燒結性能，在1000℃高溫退火后得到的Pt NPs平均直徑仍小于5 nm。而經過同樣的退火過程，商用炭黑載體上的Pt燒結嚴重。

為了利用這種抗燒結性能，研究人員在S-C載體上合成了46種小尺寸鉑基i-NPs，并建立了i-NP庫。具體的光譜表征結果，驗證了Pt-S鍵之間的強化學相互作用。此外，X射線衍射（XRD）結果表明，庫中的i-NP催化劑有序度高、尺寸小，與高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）的觀察統計分析相一致。

研究負責人梁海偉教授表示：“基于i-NP庫，可以系統性研究催化劑結構和性能之間的關系。樣本數量充足，有助于我們篩選有效的催化劑，有望大幅降低燃料電池的成本。”研究人員篩選出i-NPs，并將其應用于質子交換膜燃料電池（PEMFCs）。在氧化還原反應中，這些催化劑表現出卓越的電催化性能。尤其是氫－空氣PEMFC，盡管i-NPs的鉑負載量比Pt/C低11.5倍，這些i-NP催化劑的正極仍表現出與Pt/C正極相當的性能。

這項研究為合成氫燃料電池用鉑合金催化劑提供了一條通用途徑。這種方法有望減少鉑使用量，從而降低燃料電池成本。粱教授表示：“通過設計碳載體的多孔結構和表面功能，可以進一步提高燃料電池的效率，從而加快其從實驗室向公眾的轉移。”

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