據(jù)外媒報道，賓夕法尼亞大學(xué)研究人員展示，如何利用定制納米材料來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。研究人員采用更便宜、廣泛使用的金屬，制造燃料電池，通過原子級設(shè)計，使材料具有長期穩(wěn)定性。此項研究在賓大整合知識學(xué)院Christopher Murray教授所在的實驗室進(jìn)行，由研究生Jennifer Lee領(lǐng)頭。

燃料電池依賴正負(fù)兩個電極進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生動力，兩個電極之間的電解質(zhì)促進(jìn)離子移動。當(dāng)燃料進(jìn)入負(fù)極時，催化劑會將分子分解成質(zhì)子和電子。然后，電子又流向正極，并產(chǎn)生電流。催化劑通常由鉑等貴金屬制成。但是，由于化學(xué)反應(yīng)只能在材料表面進(jìn)行，任何末出現(xiàn)于表面的原子都會被浪費(fèi)掉。同時，讓催化劑長時間保持穩(wěn)定也很重要，因為燃料電池很難更換。

為了解決這兩個問題，化學(xué)家嘗試設(shè)計表面含鉑的納米定制材料，并大量使用鈷等更常見的金屬，來提供穩(wěn)定性。Murray團(tuán)隊擅長制造良好受控的納米材料，即納米晶體，可以控制所有復(fù)合納米材料的大小、形狀和構(gòu)成。 在本項研究中，Lee重點(diǎn)研究一種特殊燃料電池的正極催化劑，稱為質(zhì)子交換膜燃料電池。她表示：“正極存在的問題更大，因為所使用的要么是鉑，要么是鉑基材料，不僅價格昂貴，而且反應(yīng)速度慢。優(yōu)質(zhì)燃料電池的設(shè)計重點(diǎn)在于正極催化劑。”

ishkariani解釋說，他們面臨的挑戰(zhàn)在于，使正極中鉑和鈷原子形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。“我們很清楚，鈷和鉑可以混合。但是，如果將這兩種元素制成合金，就會形成隨機(jī)順序的鉑和鈷。而隨機(jī)加入的鈷會滲入電極，導(dǎo)致燃料電池的工作時間很短。”為了解決這一問題，研究人員設(shè)計出一種由層狀鉑和鈷構(gòu)成(金屬間相)的催化劑。在催化劑中，精確控制每個原子的位置并鎖定結(jié)構(gòu)，比起隨機(jī)加入的時候，正極催化劑的工作時間更長。研究人員意外發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中添加的鈷越多，效率越高。鉑鈷比達(dá)到1：1時，效果最好。

接下來，研究人員將對燃料電池組件中的金屬間材料進(jìn)行測試和評估，以便與商用系統(tǒng)直接進(jìn)行比較。Murray團(tuán)隊還將探討新的方法，在非高溫情況下創(chuàng)造金屬間結(jié)構(gòu)，并觀察額外添加原子能否提高催化劑性能。這項研究需要高分辨率顯微鏡成像。

Murray將這項基礎(chǔ)研究視為起點(diǎn)，未來將推動商業(yè)實施和實際應(yīng)用。她強(qiáng)調(diào)，以后的進(jìn)展取決于目前的前瞻性研究。“想想這個世界，我們正在逐漸減少對傳統(tǒng)化石燃料的投入，如果能搞清楚電能和化學(xué)能這種相互轉(zhuǎn)換的過程，可以同時解決若干極為重要的問題。”