達(dá)到并超過美能源部設(shè)定的催化劑標(biāo)準(zhǔn)

石墨烯納米袋顯著減少氫燃料電池所需鉑金

石墨烯包裹合金產(chǎn)生了非凡的結(jié)果：催化活性提高75倍，功率提高65%。

盡管氫燃料是一種很有前景的化石燃料替代品，然而其發(fā)電依賴的催化劑主要由稀有昂貴的金屬鉑組成，這限制了氫燃料的廣泛商業(yè)化。據(jù)16日發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》雜志的論文，美國加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員報(bào)告了一種方法，使他們能夠達(dá)到并超過美國能源部（DOE）設(shè)定的高催化劑性能、高穩(wěn)定性和低鉑使用率的目標(biāo)。

這項(xiàng)破紀(jì)錄的技術(shù)使用了鉑鈷合金的微小晶體，每個(gè)晶體都嵌在由石墨烯制成的納米袋中。

與DOE催化劑標(biāo)準(zhǔn)相比，石墨烯包裹合金產(chǎn)生了非凡的結(jié)果：催化活性提高75倍；功率提高65%；在燃料電池預(yù)期壽命結(jié)束時(shí)，催化活性提高約20%；在模擬使用6000—7000小時(shí)后，功率損失降低了約35%，首次超過了5000小時(shí)的目標(biāo)；每輛車所需的鉑金幾乎減少了40%。

如今，全球鉑及類似金屬總供應(yīng)量的一半用于化石燃料驅(qū)動(dòng)的汽車的催化轉(zhuǎn)換器，這種成分可以降低其排放物的有害性。每輛車需要2—8克鉑。相比之下，目前的氫燃料電池技術(shù)每輛車消耗約36克鉑。而研究團(tuán)隊(duì)測試的最低鉑負(fù)荷下，每輛氫動(dòng)力汽車只需要6.8克鉑。

那么，研究人員是如何從更少的鉑中獲得更多能量的呢？他們將鉑基催化劑分解成平均3納米長的顆粒。更小的顆粒意味著更大的表面積，也意味著更多發(fā)生催化活性的空間。然而，較小的顆粒往往會擠在一起形成較大的顆粒。

研究團(tuán)隊(duì)通過在2D材料石墨烯中裝載他們的催化劑顆粒來解決這一限制。與煤或鉛筆芯中常見的散裝碳相比，這種薄碳層具有驚人的容量，可高效地導(dǎo)電和導(dǎo)熱，是類似厚度的鋼強(qiáng)度的100倍。

他們的鉑鈷合金被還原成顆粒。在集成到燃料電池之前，這些顆粒被石墨烯納米袋包圍，納米袋還充當(dāng)了一種防止顆粒遷移的錨，這正是商用車所需的耐久性水平所必需的。與此同時(shí)，石墨烯允許在每個(gè)催化劑納米顆粒周圍留出約1納米的微小間隙，這意味著可能會發(fā)生關(guān)鍵的電化學(xué)反應(yīng)。