近期根據美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家的一項新研究表明，納米級擠壓可顯著(zhù)提高鉑催化劑性能，使其在燃料電池中產(chǎn)生更多能量。

該團隊將鉑催化劑黏合到薄材料上，薄材料隨著(zhù)電子的進(jìn)出而膨脹收縮。通過(guò)觀(guān)察，該團隊發(fā)現將鉑催化劑進(jìn)行納米級擠壓幾乎可以將其催化活性提高其催化活性?xún)杀丁Ｔ撗芯拷Y果已經(jīng)發(fā)表在11月25日的《科學(xué)》科學(xué)雜志上發(fā)表。

論文主要作者王浩天（Haotian Wang）說(shuō)：“在這項研究中我們發(fā)現普通電池材料可能會(huì )限制鉑以及其他金屬催化劑的活性。因此我們提出了一種在原子尺度微調金屬催化劑的新方法。這種新技術(shù)可以廣泛應用到各種清潔能源技術(shù)上，包括使用鉑催化劑產(chǎn)生能量的燃料電池和可以將水分解為氧氣和氫氣燃料的鉑電解劑。”

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系兼SLAC國家加速器實(shí)驗室光子科學(xué)教授崔毅（Yi Cui）Yi Cui說(shuō)：“我們的微調技術(shù)不僅可以使燃料電池更加節能，還可以增加燃料電池的功率輸出。同時(shí)，該技術(shù)還可以提高水分解器的氫氣產(chǎn)生效率，并增強促進(jìn)其他燃料和化學(xué)物質(zhì)的生成。”

電子結構

催化劑的作用主要是使化學(xué)反應更快的同時(shí)消耗更少的能量。金屬催化劑的性能主要取決于其電子結構，即如何排列圍繞單個(gè)原子的電子。

王浩天說(shuō)：“催化劑的電子結構需要匹配有用的分子，以實(shí)現你想要的化學(xué)反應，你可以通過(guò)壓縮原子或將它們拉開(kāi)來(lái)調整催化劑的電子結構。”

斯坦福研究小組引入了一種新的方法，該方法可以將原子壓縮或分離5%的距離，只有0.01納米。

崔毅稱(chēng)說(shuō)：“這看起來(lái)似乎沒(méi)什么大不了，但它真的是很多實(shí)際上確實(shí)意義重大。我們是怎么做到的？這真的是電池研究和催化劑的密切結合。”

實(shí)驗電極

該研究集中在鈷酸鋰材料，這種材料被廣泛用做于手機和其他電子設備的電池材料。研究人員將幾層鈷酸鋰材料堆疊在一起以形成電池狀電極。

崔毅說(shuō)：“使用電流除去電極上的鋰離子，使其擴展0.01納米，在放電階段重新將鋰離子放入，此時(shí)，電極收縮到其原始尺寸。因為鉑金屬被黏合在邊緣位置，當電流增加且在放電收縮期時(shí)，鉑金屬會(huì )與電極其它部分一起膨脹。”

對于實(shí)驗，斯坦福團隊在鈷酸鋰材料電極上多添加了幾層鉑金屬。

性能

王浩天說(shuō)：“使鉑金屬層變形0.01納米或5％對其催化性能有顯著(zhù)影響。我們發(fā)現壓縮鉑金屬可以使其更加活躍，通過(guò)壓縮鉑金屬可以使其在水中還原氧的能力提高90%，這一點(diǎn)可以大大提高氫燃料電池的效率。”

共同研究該項目的論文合作者、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程教授詹斯·諾斯卡（Jens Norskov）說(shuō)：“這是一個(gè)理論家的夢(mèng)想實(shí)驗，幾年前，我們從理論上預測通過(guò)擠壓催化劑可以控制其性能。現在通過(guò)實(shí)驗表明，我們的理論是對的。”

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