阻碍在汽车，卡车和其他车辆中广泛使用环保型氢燃料电池的一个因素是使电池工作的铂催化剂的成本。使用较少贵金属的一种方法是将其与其他较便宜的金属结合，但这些合金催化剂在燃料电池条件下往往会迅速降解。
现在，布朗大学的研究人员开发出一种新的合金催化剂，既可以减少铂的使用，又能在燃料电池测试中保持良好状态。根据Joule杂志所述的测试结果显示，在纳米粒子中合金化铂与钴合金制成的催化剂在反应性和耐久性方面均超过了美国能源部(DOE)2020年的目标。
“合金催化剂的耐久性是该领域的一个大问题，”Brown的化学研究生和该研究的第一作者Junrui Li说。“事实证明，合金最初的性能优于纯铂，但在这种情况下，在燃料电池内部，催化剂的非贵金属部分会被氧化并迅速浸出。”
为解决这一浸出问题，Li和他的同事开发了具有特殊结构的合金纳米粒子。颗粒具有纯铂外壳，其围绕由交替的铂和钴原子层制成的核心。该研究的资深作者，布朗化学教授Shouheng Sun表示，这种分层核心结构是催化剂反应性和耐久性的关键。
“核心中原子的分层排列有助于平滑和收紧外壳中的铂晶格，”Sun说。“这增加了铂的反应性，同时保护钴原子不会在反应过程中被吃掉。这就是为什么这些颗粒的表现比金属原子随机排列的合金颗粒好得多。”
关于有序结构如何增强催化剂活性的细节在Joule论文中简要描述，但更具体地在发表在Journal of Chemical Physics上的单独的计算机建模论文中描述。建模工作由布朗工程学院副教授Andrew Peterson领导，他也是Joule论文的合着者。
对于实验工作，研究人员测试了催化剂进行氧还原反应的能力，这对燃料电池的性能和耐久性至关重要。在质子交换膜(PEM)燃料电池的一侧，从氢燃料中剥离的电子产生驱动电动机的电流。在电池的另一侧，氧原子吸收这些电子以完成电路。这是通过氧还原反应完成的。
初步测试表明，催化剂在实验室环境中表现良好，优于更传统的铂合金催化剂。新催化剂在30,000次电压循环后保持其活性，而传统催化剂的性能显着下降。
但研究人员表示，虽然实验室测试对于评估催化剂的性质非常重要，但它们并不一定能显示催化剂在实际燃料电池中的表现。与实验室测试环境相比，燃料电池环境更热并且酸度不同，这可以加速催化剂降解。为了弄清催化剂在该环境中的稳定性，研究人员将催化剂送到洛斯阿拉莫斯国家实验室进行实际燃料电池测试。
测试表明，该催化剂击败了能源部(DOE)为初始活动和长期耐久性设定的目标。美国能源部已经要求研究人员开发催化剂，到2020年初始活性为每毫克铂0.44安培，30,000次电压循环后活性至少为0.26安培/毫克(大约相当于燃料电池汽车使用5年)。新催化剂的测试表明，它具有0.56安培/毫克的初始活性和30,000循环0.45安培后的活性。
“即使在30,000次循环后，我们的催化剂仍然超过了DOE的初始活动目标，”Sun说。“在现实世界的燃料电池环境中，这种表现真的很有希望。”
研究人员申请了关于催化剂的临时专利，他们希望继续开发和改进催化剂。
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