根据斯坦福大学科学家的一项新研究，纳米尺寸挤压可显着提高铂催化剂的性能，从而有助于在燃料电池中产生能量。
该团队将铂催化剂粘合到一种薄的材料上，当电子进出时，它会膨胀和收缩，并发现挤压铂的分数几乎是其催化活性的两倍。该研究结果发表在11月25日的“ 科学 ”杂志上。
“在这项研究中，我们提出了一种在原子尺度上微调金属催化剂的新方法，”主要作者，现任哈佛大学斯坦福大学研究生的Haotian Wang说。“我们发现普通的电池材料可以用来控制铂的活性，也可能用于许多其他金属催化剂。”
Wang说，这项新技术可应用于各种清洁技术，包括使用铂催化剂产生能量的燃料电池，以及将水分解为氧气和氢燃料的铂电解槽。
“我们的调谐技术可以使燃料电池更节能，并增加其功率输出，”斯坦福大学材料科学与工程教授，SLAC国家加速器实验室光子科学的合着者Yi Cui说。“它还可以提高水分离器的氢气发生效率，并提高其他燃料和化学品的产量。”
电子结构
催化剂用于使化学反应更快，同时消耗更少的能量。金属催化剂的性能取决于其电子结构 - 即，如何排列电子绕单个原子排列。
“催化剂的电子结构需要与感兴趣的分子相匹配才能达到你想要的化学反应，”Wang解释道。“你可以通过压缩原子或将它们拉开来调整催化剂的电子结构。”
斯坦福大学的研究小组介绍了一种将原子压缩或分离5%的新方法，仅为0.01纳米。
“这可能看起来不多，但确实很多，”崔说。“我们是如何实现这一目标的呢?这实际上是电池研究和催化的结合。”
实验电极
该研究的重点是锂钴氧化物，这是一种广泛用于手机和其他电子设备电池的材料。研究人员将几层钴酸锂层叠在一起形成电池状电极。
“用电去除电极中的锂离子，使其膨胀0.01纳米，”崔说。“当在放电阶段重新插入锂时，电极会收缩到原来的尺寸。”
对于实验，斯坦福大学的团队在锂钴氧化物电极上添加了几层铂。
“由于铂与边缘结合，当电流加入时，铂会与电极的其余部分一起膨胀，并在放电过程中收缩，”崔说。
性能
Wang表示，将铂层分离0.01纳米或5%的距离会对性能产生重大影响。
“我们发现压缩使铂金更加活跃，”他说。“我们观察到铂在降低水中氧气能力方面提高了90%。这可以提高氢燃料电池的效率。”
Wang说，将电极拉伸5%会产生相反的效果，使氧气产量减少40%。
研究报告的共同作者，斯坦福大学SUNCAT接口科学和催化中心的化学工程教授Jens Norskov说：“这是一个理论家的梦想实验。” “几年前我们在理论上预测，催化剂的应变可以用来控制它的性能，这里的实验证明我们的理论运作良好。”
“我们的技术为控制催化行为提供了一种非常有效的方法，”崔补充道。“现在，平庸的催化剂可以变得更好，而且好的催化剂可以变得非常好。”
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