石墨烯納米袋顯著減少氫燃料電池所需鉑金

科技日報北京8月16日電 （實習記者張佳欣）儘管氫燃料是一種很有前景的化石燃料替代品，然而其發電依賴的催化劑主要由稀有昂貴的金屬鉑組成，這限制了氫燃料的廣泛商業化。據16日發表於《自然·納米技術》雜誌的論文，美國加州大學洛杉磯分校研究人員報告了一種方法，使他們能夠達到並超過美國能源部（DOE）設定的高催化劑性能、高穩定性和低鉑使用率的目標。

這項破紀錄的技術使用了鉑鈷合金的微小晶體，每個晶體都嵌在由石墨烯製成的納米袋中。

與DOE催化劑標準相比，石墨烯包裹合金產生了非凡的結果：催化活性提高75倍；功率提高65%；在燃料電池預期壽命結束時，催化活性提高約20%；在模擬使用6000—7000小時後，功率損失降低了約35%，首次超過了5000小時的目標；每輛車所需的鉑金幾乎減少了40%。

如今，全球鉑及類似金屬總供應量的一半用於化石燃料驅動的汽車的催化轉換器，這種成分可以降低其排放物的有害性。每輛車需要2—8克鉑。相比之下，目前的氫燃料電池技術每輛車消耗約36克鉑。而研究團隊測試的最低鉑負荷下，每輛氫動力汽車只需要6.8克鉑。

那麼，研究人員是如何從更少的鉑中獲得更多能量的呢？他們將鉑基催化劑分解成平均3納米長的顆粒。更小的顆粒意味着更大的表面積，也意味着更多發生催化活性的空間。然而，較小的顆粒往往會擠在一起形成較大的顆粒。

研究團隊通過在2D材料石墨烯中裝載他們的催化劑顆粒來解決這一限制。與煤或鉛筆芯中常見的散裝碳相比，這種薄碳層具有驚人的容量，可高效地導電和導熱，是類似厚度的鋼強度的100倍。

他們的鉑鈷合金被還原成顆粒。在集成到燃料電池之前，這些顆粒被石墨烯納米袋包圍，納米袋還充當了一種防止顆粒遷移的錨，這正是商用車所需的耐久性水平所必需的。與此同時，石墨烯允許在每個催化劑納米顆粒周圍留出約1納米的微小間隙，這意味着可能會發生關鍵的電化學反應。