铂长期以来被用作催化剂以使氧化还原反应成为燃料电池技术的核心。但这种金属的高成本是阻碍燃料电池与更便宜的汽车和家庭供电方式竞争的因素之一。
现在佐治亚理工学院的研究人员开发出一种新的铂基催化体系，它比传统的商业体系更耐用，并且具有更长的使用寿命。从长远来看，新系统可以降低生产燃料电池的成本。
该研究于7月15日在ACS期刊Nano Letters上发表，该研究人员描述了一种解决铂催化剂降解的关键原因之一的可能的新方法，即烧结，即铂颗粒迁移和聚集在一起的过程，降低铂的比表面积并导致催化活性下降。
为了减少这种烧结，研究人员设计了一种方法，使用元素硒将铂颗粒固定在碳载体材料上。
“有一些减少烧结的策略，例如使用尺寸均匀的铂颗粒来减少它们之间的化学不稳定性，”佐治亚理工学院访问研究生曹正明说。“这种使用硒的新方法在铂和碳载体材料之间产生了强烈的金属 - 载体相互作用，从而显着提高了耐久性。同时，铂颗粒可以使用并保持在较小的水平，从而获得高催化活性。比表面积增加。“
该过程开始于将纳米级的硒球加载到商业碳载体的表面上。然后将硒在高温下熔化，使其扩散并均匀地覆盖碳的表面。然后，使硒与盐前体反应生成铂，以产生直径小于2纳米且均匀分布在碳表面上的铂颗粒。
硒和铂之间的共价相互作用提供了将铂颗粒稳定地固定在碳上的强大联系。
“由于其作为催化剂的高活性和耐久性，所得到的催化剂体系非常显着，”佐治亚理工学院和埃默里大学Wallace H. Coulter生物医学工程系教授和Brock家庭主席Younan Xia说。
由于纳米级铂的比表面积增加，新催化体系最初显示出比现有商业铂 - 碳催化剂的原始值高3.5倍的催化活性。然后，研究小组使用加速耐久性测试对催化系统进行了测试。即使在20,000次循环的电势扫描之后，新系统仍然提供的催化活性是商业系统的三倍以上。
研究人员在耐久性试验的不同阶段使用透射电子显微镜检查为什么催化活性仍然很高。他们发现硒锚有效地保留了大部分铂颗粒。
“经过20,000次循环后，大部分颗粒残留在碳载体上，没有分离或聚集，”曹说。“我们相信这种催化体系作为提高铂催化剂耐久性和活性的可扩展方式具有巨大潜力，并最终提高了将燃料电池用于更广泛应用的可行性。”