用于氢经济的燃料电池纳米催化剂的简便和可扩展生产

燃料电池是一种发电机，它能够从氢气中产生电能，同时只排放水作为废物。希望这种高效的清洁能源系统将在氢经济的采用中发挥关键作用，取代汽车和卡车以及发电厂中的内燃机和电池。

然而，铂金的成本(每公斤可达30,000美元)一直是一个主要限制因素，这使得燃料电池催化剂非常昂贵。高性能催化剂的生产方法也很复杂并且在很大程度上受到限制。因此，开发一种简便且可扩展的铂基燃料电池催化剂生产方法是一项紧迫的挑战，同时在使用最少量铂的同时提高催化性能和稳定性。

为了解决这个问题，韩国基础科学研究所(IBS)纳米粒子研究中心(CNR)的SungYung-Eun教授和HyeonTaeghwan教授领导的研究小组发现了一种新的生产方法的纳米催化剂。

研究人员证明，这些尺寸均匀(3-4纳米)的钴-铂(Co-Pt)合金纳米粒子可以通过简单的热处理来生产。该方法结合了浸渍法易于合成的特点，以及类似于胶体法对纳米晶体尺寸和形状的精确控制。

CNR-IBS团队开发的新型Co-Pt合金纳米催化剂由两种带相反电荷的金属络合物组成，特别是分别被联吡啶和氯配体包围的Co和Pt离子。

研究小组假设，简单的热处理会使联吡啶配体热分解成碳壳，从而保护生长中的Co-Pt合金纳米粒子。在优化热处理条件后，他们成功获得了高度均匀的纳米催化剂，其纳米粒子尺寸仅为3-4纳米。

Co-Pt合金纳米催化剂的生长过程示意图。在900°C的简单热处理可以在碳载体上产生原子有序的Co-Pt纳米粒子。图片来源：基础科学研究所

在该小组开发的纳米催化剂中，Co和Pt原子以称为“金属间相”的规则方式排列，其中不稳定的Co原子被周围的Pt原子稳定。此外，当氮被有效地掺杂到碳载体上时，离聚物(质子导体)均匀地分散在燃料电池的整个催化剂层上，这更好地促进了氧气向Co-Pt纳米催化剂表面的供应。

这些结构特征加起来大大提高了质子交换膜燃料电池的功率性能，表现出5.9kW/gPt的高比额定功率，大约是商用氢燃料汽车目前性能的两倍。该团队生产的催化剂已经实现了美国能源部(DOE)设定的2025年燃料电池稳定长期运行目标的大部分。

CNR-IBS团队坚信这项研究将刺激下一代燃料电池催化剂的开发。这些发现也将有助于提高用于各种其他电催化应用的合金纳米催化剂的催化性能和耐久性。

Hyeon教授说：“设计一种新型双金属化合物作为前体材料一直是这项研究的关键起点。我们开发了一种平台技术，通过一种简单且可扩展的方法生产复杂形式的合金纳米催化剂，并最终实现了用更少的铂金提高燃料电池的功率性能。”

宋教授说：“这项研究已达到世界级的燃料电池性能水平，通过减少占燃料成本约40%的铂金量，超过了美国能源部2025年的大部分目标细胞。”他补充说：“我们预计这项研究以及一些后续研究将在不久的将来极大地影响氢汽车行业的发展和氢经济的实现。”