氢燃料电池是一种很有前途的清洁和可再生能源生产技术，但其阴极材料成本和活性是商业化的一大挑战。许多燃料电池需要昂贵的铂基催化剂（能够启动和加速化学反应的物质）来帮助将可再生燃料转化为电能。为了使氢燃料电池在商业上可行，科学家们正在寻找更经济的催化剂，以提供与纯铂相同的效率。像电池一样，氢燃料电池将储存的化学能转化为电能。国家同步加速器光源II (nsss -II)是美国能源部(DOE)布鲁克黑文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)科学用户设施办公室(Office of Science User Facility)的科学家阿德里安·亨特(Adrian Hunt)说：
博科园-科学科普：找到一种既便宜又有效的氢燃料电池催化剂，基本上是让这项技术更可行的圣杯。在全球范围内对燃料电池阴极材料的研究中，阿克伦大学的研究人员开发了一种新催化剂合成方法，这种催化剂由金属(铂和镍)组合而成，形成八面体(八面体)形状的纳米颗粒。虽然科学家已经确认这种催化剂是纯铂最有效的替代品之一，但他们还没有完全理解为什么它会以八面体的形式生长。为了更好地了解增长过程，阿克伦大学的研究人员与多个机构合作，包括布鲁克海文及其nsl – ii。阿克伦大学催化实验室的首席研究员彭振蒙(音译)说：了解多面催化剂是如何形成的，对于建立其结构-性能相关性和设计更好的催化剂起着关键作用。
布鲁克海文实验室的科学家们从左至右分别是Ge Mingyuan、Iradwikanari Waluyo和Adrian Hunt，他们在IOS beamline上研究了氢燃料电池高效催化剂的生长路径。图片：Brookhaven National Laboratory
铂镍系统的生长过程非常复杂，因此我们与几个经验丰富的团队合作，以应对这些挑战。布鲁克海文国家实验室的尖端技术对研究这一课题有很大帮助。利用NSLS-II超右翼x射线，结合NSLS-II原位和Operando软x射线光谱(IOS)波束线的先进性能，研究人员实时揭示了催化剂生长路径的化学表征，其研究发现发表在《自然通讯》上。IOS首席科学家、该研究论文的共同通讯作者Iradwikanari Waluyo说：我们使用了一种名为环境压力x射线光电子能谱(AP-XPS)的研究技术，来研究纳米颗粒中金属在生长反应过程中的表面组成和化学状态，在这项技术中将x射线直接照射在样品上，从而释放出电子。通过分析这些电子的能量，能够区分样品中的化学元素，以及它们的化学和氧化态。
这类似于阳光与我们衣服相互作用的方式。阳光大概是黄色的，但一旦照射到一个人的衬衫上，你就能分辨出衬衫是蓝色、红色还是绿色。科学家们不是通过颜色，而是通过鉴定催化剂表面的化学信息，并将其与内部进行比较。发现在生长反应中，金属铂首先形成并成为纳米颗粒的核心。然后当反应达到稍高的温度时，铂有助于形成金属镍，金属镍随后会分离到纳米颗粒的表面。在生长的最后阶段，这两种金属的表面大致相等。铂和镍之间的这种有趣的协同作用在纳米粒子的八面体形状和反应活性的发展中发挥了重要作用。这些发现的好处是，镍是一种便宜的材料，而铂是昂贵的。所以如果纳米颗粒表面的镍催化了反应，而这些纳米颗粒本身仍然比铂更有活性。
那么，希望通过更多的研究，能够计算出需要添加的铂的最低用量，同时仍然具有高活性，从而创造出一种更划算的催化剂。这些发现依赖于IOS的先进功能，研究人员能够在高于常规XPS实验通常可能的气体压力下进行实验。在IOS系统中能够实时跟踪纳米颗粒的组成和化学状态在真实生长条件下的变化。
额外的x射线和电子成像研究分别在能源部阿贡国家实验室(另一个能源部科学用户设施办公室)和加州大学欧文分校的高级光子源(APS)完成，补充了nls – ii的工作。这项基本工作突出了分离镍在形成八面体催化剂中的重要作用，已经对催化剂纳米颗粒的形状控制有了更深入的了解。下一步是研究多面纳米颗粒的催化性能，以了解其结构与性能之间的相关性。
博科园-科学科普｜研究/来自：布鲁克海文国家实验室
参考期刊文献:《Nature Communications》
论文DOI: 10.1038/s41467-018-06900-z
