氫燃料電池是用于生產(chǎn)清潔和可再生能源的有前途的技術(shù)，但其陰極材料的成本和活性是商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。許多燃料電池需要昂貴的鉑基催化劑-引發(fā)和加速化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)-以幫助將可再生燃料轉(zhuǎn)化為電能。為了使氫燃料電池具有商業(yè)可行性，科學(xué)家們正在尋找更實惠的催化劑，以提供與純鉑相同的效率。

“就像電池一樣，氫燃料電池將儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。不同之處在于你使用的是可補充的燃料，原則上說'電池'將永遠存在，”國家同步加速器的科學(xué)家阿德里安亨特說。光源II(NSLS-II)，美國能源部(DOE)DOE布魯克海文國家實驗室科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。“為氫燃料電池尋找廉價有效的催化劑基本上是使這項技術(shù)更可行的圣杯。”

參與全球范圍內(nèi)對燃料電池陰極材料的研究，阿克倫大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新方法，用金屬-鉑和鎳-合成催化劑，形成八面體(八面)形納米顆粒。雖然科學(xué)家已經(jīng)將這種催化劑確定為純鉑的最有效替代品之一，但他們還沒有完全理解為什么它以八面體形狀生長。為了更好地了解增長過程，阿克倫大學(xué)的研究人員與多個機構(gòu)合作，包括Brookhaven及其NSLS-II。

“了解刻面催化劑是如何形成的，在確定其結(jié)構(gòu)-性質(zhì)相關(guān)性和設(shè)計更好的催化劑方面起著關(guān)鍵作用，”阿克倫大學(xué)催化實驗室首席研究員彭振夢說。“鉑鎳系統(tǒng)的增長過程非常復(fù)雜，因此我們與幾個經(jīng)驗豐富的團隊合作應(yīng)對挑戰(zhàn)。布魯克海文國家實驗室的尖端技術(shù)對研究這一研究課題有很大幫助。”

利用NSLS-II的超亮X射線和NSLS-II的原位和Operando軟X射線光譜(IOS)光束線的先進功能，研究人員實時揭示了催化劑生長途徑的化學(xué)特征。他們的研究結(jié)果發(fā)表在NatureCommunications上。

“我們使用一種名為環(huán)境壓力X射線光電子能譜(AP-XPS)的研究技術(shù)來研究生長反應(yīng)期間納米顆粒中金屬的表面組成和化學(xué)狀態(tài)，”IOS的首席科學(xué)家IradwikanariWaluyo表示。研究論文的共同作者。“在這種技術(shù)中，我們將X射線導(dǎo)向樣品，導(dǎo)致電子釋放。通過分析這些電子的能量，我們能夠區(qū)分樣品中的化學(xué)元素，以及它們的化學(xué)和氧化態(tài)。“

Hunt，也是紙上的作者，補充道，“它與陽光與我們的衣服相互作用的方式類似。陽光大致呈黃色，但一旦撞到一個人的襯衫，你可以判斷這件襯衫是藍色，紅色，或綠色。“

科學(xué)家們不是用顏色，而是在催化劑表面識別化學(xué)信息并將其與內(nèi)部進行比較。他們發(fā)現(xiàn)，在生長反應(yīng)過程中，金屬鉑首先形成并成為納米粒子的核心。然后，當(dāng)反應(yīng)達到稍高的溫度時，鉑有助于形成金屬鎳，后來金屬鎳偏析到納米顆粒的表面。在生長的最后階段，表面變成兩種金屬的大致相等的混合物。鉑和鎳之間的這種有趣的協(xié)同效應(yīng)在納米粒子的八面體形狀的發(fā)展及其反應(yīng)性中起重要作用。

“這些發(fā)現(xiàn)的好處在于，鎳是一種廉價的材料，而鉑是昂貴的，”亨特說。“因此，如果納米粒子表面的鎳催化反應(yīng)，并且這些納米粒子本身仍然比鉑更活躍，那么希望通過更多的研究，我們可以計算出添加的最少鉑量，并且仍然可以得到高活性，創(chuàng)造出更具成本效益的催化劑。“

研究結(jié)果取決于IOS的先進能力，研究人員能夠在高于傳統(tǒng)XPS實驗通常可能的氣體壓力下進行實驗。

“在IOS，我們能夠在真實的生長條件下實時跟蹤納米粒子的成分和化學(xué)狀態(tài)的變化，”Waluyo說。

在DOE的Argonne國家實驗室-另一個DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室-和加州大學(xué)-歐文分校的高級光子源(APS)上完成的額外X射線和電子成像研究分別補充了NSLS-II的工作。

“這項基礎(chǔ)工作凸顯了偏析鎳在形成八面體催化劑方面的重要作用。我們對催化劑納米粒子的形狀控制有了更多的了解，”彭說。“我們的下一步是研究多面納米粒子的催化性能，以了解結(jié)構(gòu)-性質(zhì)相關(guān)性。”