目前，風能和太陽能等可再生能源正在迅速改變能源格局，科學家們急于尋找更好的儲能方法，以備不時之需。燃料電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能，有可能是一種長期儲能方案，也許有一天，不用燃燒燃料就能為卡車和汽車提供動力。為了推廣燃料電池，化學家和工程師們需要找到方法，使這項技術(shù)更具成本效益和穩(wěn)定性，才能實現(xiàn)廣泛應用。

據(jù)外媒報道，賓夕法尼亞大學研究人員展示，如何利用定制納米材料來應對這些挑戰(zhàn)。研究人員采用更便宜、廣泛使用的金屬，制造燃料電池，通過原子級設計，使材料具有長期穩(wěn)定性。此項研究在賓大整合知識學院ChristopherMurray教授所在的實驗室進行，由研究生JenniferLee領(lǐng)頭。

燃料電池依賴正負兩個電極進行化學反應并產(chǎn)生動力，兩個電極之間的電解質(zhì)促進離子移動。當燃料進入負極時，催化劑會將分子分解成質(zhì)子和電子。然后，電子又流向正極，并產(chǎn)生電流。催化劑通常由鉑等貴金屬制成。但是，由于化學反應只能在材料表面進行，任何末出現(xiàn)于表面的原子都會被浪費掉。同時，讓催化劑長時間保持穩(wěn)定也很重要，因為燃料電池很難更換。

為了解決這兩個問題，化學家嘗試設計表面含鉑的納米定制材料，并大量使用鈷等更常見的金屬，來提供穩(wěn)定性。Murray團隊擅長制造良好受控的納米材料，即納米晶體，可以控制所有復合納米材料的大小、形狀和構(gòu)成。在本項研究中，Lee重點研究一種特殊燃料電池的正極催化劑，稱為質(zhì)子交換膜燃料電池。她表示：“正極存在的問題更大，因為所使用的要么是鉑，要么是鉑基材料，不僅價格昂貴，而且反應速度慢。優(yōu)質(zhì)燃料電池的設計重點在于正極催化劑。”

ishkariani解釋說，他們面臨的挑戰(zhàn)在于，使正極中鉑和鈷原子形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。“我們很清楚，鈷和鉑可以混合。但是，如果將這兩種元素制成合金，就會形成隨機順序的鉑和鈷。而隨機加入的鈷會滲入電極，導致燃料電池的工作時間很短。”為了解決這一問題，研究人員設計出一種由層狀鉑和鈷構(gòu)成（金屬間相）的催化劑。在催化劑中，精確控制每個原子的位置并鎖定結(jié)構(gòu)，比起隨機加入的時候，正極催化劑的工作時間更長。研究人員意外發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中添加的鈷越多，效率越高。鉑鈷比達到1：1時，效果最好。

接下來，研究人員將對燃料電池組件中的金屬間材料進行測試和評估，以便與商用系統(tǒng)直接進行比較。Murray團隊還將探討新的方法，在非高溫情況下創(chuàng)造金屬間結(jié)構(gòu)，并觀察額外添加原子能否提高催化劑性能。這項研究需要高分辨率顯微鏡成像。

Murray將這項基礎研究視為起點，未來將推動商業(yè)實施和實際應用。她強調(diào)，以后的進展取決于目前的前瞻性研究。“想想這個世界，我們正在逐漸減少對傳統(tǒng)化石燃料的投入，如果能搞清楚電能和化學能這種相互轉(zhuǎn)換的過程，可以同時解決若干極為重要的問題。”