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《【Nature Nanotechnology】新型铂纳米催化剂提升燃料电池耐久性与效率》

  • 来源专题：新能源汽车
  • 编译者： 王晓丽
  • 发布时间：2025-04-14

  • 研究机构：加州大学洛杉矶分校（UCLA） 

    研究背景

    燃料电池（尤其是质子交换膜燃料电池，PEMFCs）是重型车辆（如卡车、巴士）电动化的潜在解决方案，但其广泛应用受限于催化剂耐久性和效率不足的问题。传统铂（Pt）基催化剂在反应中易溶解、颗粒团聚，导致活性下降。

    创新设计：

    • 结构特点：将超细铂纳米颗粒封装于石墨烯纳米袋（graphene nanopockets）中，并负载于Ketjenblack碳材料上。
    • 保护机制：石墨烯层可防止铂颗粒溶解和聚集，碳载体孔隙进一步稳定颗粒，提升苛刻工况下的耐久性。性能表现活性与效率：初始质量活性达0.74 A mg?1，额定功率密度1.08 W cm?2。
    • 耐久性：通过9万次电压循环加速测试后，功率损失低于1.1%，预计燃料电池寿命超过20万小时，远超美国能源部目标。

    应用前景：该催化剂有望推动高性能氢燃料电池的开发，助力重型车辆减排。团队下一步将优化催化剂电极整体结构，包括改进碳载体材料、电极架构和离聚物组分，以提升高电流密度下的性能。

    原文链接： Zeyan Liu et al, Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01895-3

  • 原文来源：https://phys.org/news/2025-04-pt-nano-catalyst-graphene-pockets.html
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  • 《硒锚可以提高铂燃料电池催化剂的耐久性》
    • 来源专题：纳米科技
    • 编译者：郭文姣
    • 发布时间：2019-09-09
    • 铂长期以来被用作催化剂以使氧化还原反应成为燃料电池技术的核心。但这种金属的高成本是阻碍燃料电池与更便宜的汽车和家庭供电方式竞争的因素之一。 现在佐治亚理工学院的研究人员开发出一种新的铂基催化体系，它比传统的商业体系更耐用，并且具有更长的使用寿命。从长远来看，新系统可以降低生产燃料电池的成本。 该研究于7月15日在ACS期刊Nano Letters上发表，该研究人员描述了一种解决铂催化剂降解的关键原因之一的可能的新方法，即烧结，即铂颗粒迁移和聚集在一起的过程，降低铂的比表面积并导致催化活性下降。 为了减少这种烧结，研究人员设计了一种方法，使用元素硒将铂颗粒固定在碳载体材料上。 “有一些减少烧结的策略，例如使用尺寸均匀的铂颗粒来减少它们之间的化学不稳定性，”佐治亚理工学院访问研究生曹正明说。 “这种使用硒的新方法在铂和碳载体材料之间产生了强烈的金属 - 载体相互作用，从而显着提高了耐久性。同时，铂颗粒可以使用并保持在较小的水平，从而获得高催化活性。比表面积增加。“ 该过程开始于将纳米级的硒球加载到商业碳载体的表面上。然后将硒在高温下熔化，使其扩散并均匀地覆盖碳的表面。然后，使硒与盐前体反应生成铂，以产生直径小于2纳米且均匀分布在碳表面上的铂颗粒。 硒和铂之间的共价相互作用提供了将铂颗粒稳定地固定在碳上的强大联系。 “由于其作为催化剂的高活性和耐久性，所得到的催化剂体系非常显着，”佐治亚理工学院和埃默里大学Wallace H. Coulter生物医学工程系教授和Brock家庭主席Younan Xia说。 由于纳米级铂的比表面积增加，新催化体系最初显示出比现有商业铂 - 碳催化剂的原始值高3.5倍的催化活性。然后，研究小组使用加速耐久性测试对催化系统进行了测试。即使在20,000次循环的电势扫描之后，新系统仍然提供的催化活性是商业系统的三倍以上。 研究人员在耐久性试验的不同阶段使用透射电子显微镜检查为什么催化活性仍然很高。他们发现硒锚有效地保留了大部分铂颗粒。 “经过20,000次循环后，大部分颗粒残留在碳载体上，没有分离或聚集，”曹说。 “我们相信这种催化体系作为提高铂催化剂耐久性和活性的可扩展方式具有巨大潜力，并最终提高了将燃料电池用于更广泛应用的可行性。” ——文章发布于2019年9月6日
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  • 《科学家开发新型燃料电池催化剂》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2018-10-29
    • 阻碍环保氢燃料电池广泛应用于汽车、卡车和其他车辆的一个因素是铂催化剂的成本。 使用不太贵重的铂的一种方法是将其与其他较便宜的金属结合使用，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已经开发出一种新型合金催化剂，既能减少铂的使用，又能在燃料电池测试中保持良好的性能。 据《焦耳》杂志报道，这种催化剂由铂合金和纳米颗粒中的钴制成，在反应性和耐久性方面都超过了美国能源部(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，”布朗大学化学研究生Junrui Li说。 “研究表明，合金最初的性能比纯铂要好，但在燃料电池中，催化剂的非贵金属部分会很快被氧化和过滤掉。” 为了解决这个浸出问题，Li和他的同事开发了一种特殊结构的合金纳米颗粒。 这些粒子有一个纯铂外壳，围绕着一个由铂和钴原子交替层构成的核心。 布朗大学(Brown)化学教授、该研究的资深作者Shouheng Sun表示，这种分层的核心结构是催化剂反应性和耐久性的关键。 “内核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，同时也防止了钴原子在反应过程中被吃掉。这就是为什么在金属原子随机排列的情况下，这些粒子比合金粒子表现得更好。” 关于有序结构如何增强催化剂活性的细节在焦耳论文中有简要描述，但更具体地说，在发表在《化学物理杂志》上的另一篇计算机建模论文中。 这项建模工作由安德鲁·彼得森(Andrew Peterson)领导，他是布朗工程学院的副教授，也是焦耳论文的合著者。 为了进行实验工作,研究人员测试了催化剂的能力来执行氧还原反应,这对燃料电池性能和耐久性是至关重要的。 在质子交换膜(PEM)燃料电池的一侧, 从氢燃料中剥离出来的电子会产生驱动电动机的电流。在电池的另一端，氧原子吸收这些电子来完成一个循环。 这是通过氧还原反应完成的。 初步测试表明，该催化剂在实验室环境下表现良好，优于更传统的铂合金催化剂。 新催化剂在3万次电压循环后仍然保持活性，而传统催化剂的性能明显下降。 但是，尽管实验室测试对于评估催化剂的性能很重要，研究人员说，它们并不一定能显示催化剂在实际燃料电池中的性能。 与实验室测试环境相比，燃料电池环境温度更高，酸度也不同，这将加速催化剂的降解。 为了弄清楚这种催化剂在这种环境下能维持多久，研究人员将这种催化剂送到洛斯阿拉莫斯国家实验室，在一个实际的燃料电池中进行测试。 测试表明，该催化剂在初始活性和长期耐久性方面都优于美国能源部(DOE)设定的目标。 美国能源部要求研究人员开发催化剂，到2020年，其初始活性为每毫克铂0.44安培，在3万次电压循环(大致相当于燃料电池汽车使用5年)后，其活性至少为每毫克铂0.26安培。 对新催化剂的测试表明，它的初始活性为每毫克0.56安培，在3万次循环后的活性为每毫克0.45安培。 “即使经过了30000个循环，我们的催化剂仍然超出了能源部最初的活性目标，”Sun说。 “在真实的燃料电池环境中，这种性能真的很有前途。” 研究人员已经申请了催化剂的临时专利，他们希望继续开发和完善它。
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