約翰霍普金斯大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，銅粒子可以穩(wěn)定氫燃料電池用來產(chǎn)生清潔電力的鉑鎳催化劑。

氫燃料電池可以為汽車和卡車提供動力，提供一種不會產(chǎn)生碳排放和污染物的能源。但迄今為止，它們的潛力一直受到限制，因?yàn)橐l(fā)產(chǎn)生清潔電力的化學(xué)反應(yīng)，所使用的鉑鎳催化劑成本偏高而且不穩(wěn)定。

通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬，來自約翰霍普金斯大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校的材料科學(xué)家們朝著實(shí)現(xiàn)這一未來邁出了一大步。他們的研究發(fā)表在《物質(zhì)》(Matter)雜志上，為一種通過添加銅來穩(wěn)定催化劑的方法提供了新的思路，并詳細(xì)說明了這種方法為何有效。

加州大學(xué)洛杉磯分校的團(tuán)隊(duì)由材料科學(xué)與工程教授黃宇(音譯)領(lǐng)導(dǎo)?；羝战鹚勾髮W(xué)的研究團(tuán)隊(duì)由材料科學(xué)與工程助理教授蒂姆·穆勒(TimMueller)領(lǐng)導(dǎo)。

“問題在于，非常有希望用于燃料電池的鉑鎳催化劑會隨著時(shí)間的流逝而降解，”米勒解釋道。他的研究重點(diǎn)是開發(fā)和應(yīng)用計(jì)算方法，以使研究人員能夠了解材料的真實(shí)行為并開發(fā)用于先進(jìn)技術(shù)的新材料?！包S教授的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在催化劑中加入銅有助于減少鎳的溶解量，我們的團(tuán)隊(duì)幫助他們找出了原因，這對那些希望在這項(xiàng)研究基礎(chǔ)上更進(jìn)一步的人來說很重要?！?/p>

在實(shí)驗(yàn)中，加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，將銅原子引入到特殊形狀的鉑鎳納米顆粒中，其耐久性比不含銅的納米顆粒提高了40%。這些新型催化劑非常穩(wěn)定，也就是說，在鉑-鎳-銅顆粒中保留了更多的過渡金屬，盡管在腐蝕條件下可能會將它們過濾掉。它們在催化化學(xué)反應(yīng)方面也比鉑鎳合金和商用鉑碳合金更有效。

為了弄清楚為什么會發(fā)生這種情況，米勒在霍普金斯大學(xué)的團(tuán)隊(duì)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了一個(gè)模型，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，揭示了催化劑在燃料電池中遇到的環(huán)境類型中，單個(gè)原子是如何在納米顆粒周圍移動的。

“我們對這些粒子進(jìn)行了模擬，包括有銅的和沒有銅的，以觀察銅的加入如何影響粒子的降解，”約翰霍普金斯大學(xué)(JohnsHopkins)材料科學(xué)與工程博士后學(xué)者、該研究的聯(lián)合首席作者曹亮(音譯)說。“我們能夠在原子尺度上跟蹤粒子的演化，我們的模擬表明，含有銅的粒子更穩(wěn)定，因?yàn)樗鼈冏畛醣砻嬗懈嗟你K，從而可以防止鎳和銅原子溶解?！?/p>

黃教授表示，這項(xiàng)新研究是理解納米材料原子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的一個(gè)里程碑，并為高性能納米催化劑的新設(shè)計(jì)策略打開了大門。