研究团队开发新型铂镍核壳催化剂 可提高燃料电池效率

电催化是可持续能源领域的关键技术，因此了解催化剂的工作原理对于提高其性能十分重要。使用铂（Pt）作为燃料电池中氧还原反应（ORR）的催化剂，部分挑战在于反应速度太慢，而且效率不够高。一个富有前景的解决方案是调整催化剂表面以提高其活性。

（图片来源：日本东北大学）

日本东北大学（Tohoku University）先进材料研究所（WPI-AIMR）的专人助理教授Di Zhang表示：“我们可以通过调整铂的表面结构来提高性能，帮助其更有效地进行反应。”这种表面调整称为表面应变，发生在材料表面的原子排列被压缩或膨胀时。一个例子是Pt-Ni系统，其中铂与镍配对以提高性能。

Zhang表示，虽然研究表明Pt-Ni表现良好，“但许多研究尚未充分探究材料中的哪些部分在反应过程中真正起作用。而且，这些模型都未考虑到pH值如何影响反应，而这是实际应用中的关键因素。”

据外媒报道，为了解决这一问题，Zhang及一国际团队研究人员创建了新模型，将电化学反应的真实条件考虑在内。该模型被用于设计具有核壳结构的新型Pt-Ni催化剂，称为Pt1Ni1@Pt/C。

结果显示，与传统铂催化剂相比，新催化剂的活性明显提升。WPI-AIMR助理教授Hao Li表示：“我们发现Pt1Ni1@Pt/C的质量活性为1.424±0.019 A/mgPt，比活性为1.554±0.027 mA/cmPt²。”

这种新型催化剂被证明非常耐用，即使经过70000次循环，仍能保持98.4%的活性。此外，研究人员还通过特殊方法将微小的Pt-Ni纳米颗粒（约2.6 nm）锚定在碳基质上，从而形成键合以防止颗粒移动或聚集在一起。

然后，他们在Pt-Ni核心周围创建富含Pt的外壳，通过施加压缩应变帮助提高催化剂吸附氧的能力，从而使反应更有效。这种核壳设计（以及改进的表面应变）有助于提高催化剂卓越的性能和耐用性。

研究人员Li表示：“这项研究表明，通过结合新模型、创新材料设计和先进合成技术，Pt-Ni催化剂可以变得更加高效和稳定，可以用于能源技术。”最终，这项研究将为开发更持久的催化剂打开大门，从而在未来的可再生能源领域发挥重要作用。