Science報道：鋸齒狀形貌提升催化劑性能

材料牛注：加州大學伯克利分校（UCLA）聯合加利福尼亞理工大學的研究小組共同報道了一種鋸齒狀結構的鉑納米線，呈現出優異的氧還原催化活性，與商業化鉑催化劑相比性能提升了近50倍，極大地降低燃料電池貴金屬鉑用量，達到縮減電池生產成本的目的。為科研工作者提供了一種新的思路。

來自加州大學伯克利分校（UCLA）以及加利福尼亞理工大學（Caltech）的國際研究小組發表了改變鉑納米線形貌的研究。本項研究將表面光滑的納米線轉變為具有鋸齒狀表面結構的納米線，進而極大降低了燃料電池貴金屬催化劑用量和電池生產成本。

燃料電池以氫氣和環境中的氧氣為燃料，產生電子和唯一的副產物水蒸氣。因此，相比于利用不可再生化石燃料且排放溫室氣體造成大氣污染的內燃機，燃料電池作為一種可持續的車用清潔能源技術，具有很廣闊的發展前景。但是，燃料電池嚴重依賴貴金屬鉑作為化學反應催化劑，造成車用燃料電池造價高昂，限制了其廣泛應用。

但是，在Science刊登的一篇報道中，研究小組闡述了如何利用鋸齒狀鉑納米線提高催化劑的電催化活性。形成的這種鋸齒狀而非光滑表面的鉑納米線，增加了新的催化活性位點，這有利于降低反應壁壘，提高氧還原反應速率。同時，細直徑的鉑納米線有利于鉑原子充分暴露在表面，使它們更容易參加反應，而非內嵌在納米線內部而無法加入催化反應。所有這些結果在降低催化反應鉑用量和電池成本的同時也能加大反應效率和發電速率。

根據以上研究發現，新研發的具有鋸齒狀鉑納米線催化劑具有很高的活性，以至于可以將燃料電池的鉑用量降低至當今水平的1/50。

來自加州大學洛杉磯分校亨利·薩繆理工程和應用科學學院，材料科學與工程的黃煜教授說道：“這個研究是個很好的例子，說明我們可以通過納米材料的原子尺度調控和微小維度下的結構功能化，獲得材料在功能應用中的巨大收益。對于材料科學家而言，這是一個有待我們去探究的奇妙世界。”

黃煜和來自UCLA的化學與生物化學教授段鑲鋒是這篇文章的共同作者。他們都是UCLA加利福尼亞納米系統研究所的成員。另一個主要研究者是來自加州理工大學的化學、材料科學和應用物理學教授William Goddard。第一作者是來自UCLA，由黃教授和段教授指導的博士生Mufan Li。

鉑在燃料電池陰極側作為關鍵的氧還原反應催化劑，直接將化學能轉化為電能并生成水蒸氣。氧氣還原反應是整個電池反應的速度決定步驟，鉑是目前唯一可靠的能夠加速反應、提高發電能力的催化劑。但是，現階段工藝水平的鉑催化劑因其活性不高，需要用量較大，因而電池生產成本較高。

研究者通過兩步過程制備出了該納米線。第一步，通過熱處理制備鉑-鎳合金納米線。然后，利用電化學方法選擇性移除合金纖維中的鎳原子，形成只含鉑原子的看似具有絨毛的納米線。

通過測試發現，鋸齒狀鉑納米線具有非常高的氧化還原活性，其性能與商業化催化劑相比提升了近50倍。這極大地降低了燃料電池鉑催化劑用量，也大大降低了燃料電池的成本。

“具有一維鋸齒表面結構的鉑納米線具有豐富的活性位點，能夠大幅度加速催化反應并且該催化劑在多次循環測試后仍具有相當的穩定性，”段教授說道，“所以，這種結構能夠帶來性能上前所未有的突破。”

原文鏈接：Changing fuel cell catalyst shape would dramatically increase efficiency, lower cost

文獻鏈接：Ultrafine jagged platinum nanowires enable ultrahigh mass activity for the oxygen reduction reaction

本文由編輯部龍騎士供稿，朱星燁翻譯，時冰遙審核，點我加入材料人編輯部