近期根據(jù)美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家的一項(xiàng)新研究表明，納米級擠壓可顯著提高鉑催化劑性能，使其在燃料電池中產(chǎn)生更多能量。

該團(tuán)隊(duì)將鉑催化劑黏合到薄材料上，薄材料隨著電子的進(jìn)出而膨脹收縮。通過觀察，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)將鉑催化劑進(jìn)行納米級擠壓幾乎可以將其催化活性提高其催化活性兩倍。該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在11月25日的《科學(xué)》科學(xué)雜志上發(fā)表。

論文主要作者王浩天（Haotian Wang）說：“在這項(xiàng)研究中我們發(fā)現(xiàn)普通電池材料可能會限制鉑以及其他金屬催化劑的活性。因此我們提出了一種在原子尺度微調(diào)金屬催化劑的新方法。這種新技術(shù)可以廣泛應(yīng)用到各種清潔能源技術(shù)上，包括使用鉑催化劑產(chǎn)生能量的燃料電池和可以將水分解為氧氣和氫氣燃料的鉑電解劑。”

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系兼SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室光子科學(xué)教授崔毅（Yi Cui）Yi Cui說：“我們的微調(diào)技術(shù)不僅可以使燃料電池更加節(jié)能，還可以增加燃料電池的功率輸出。同時(shí)，該技術(shù)還可以提高水分解器的氫氣產(chǎn)生效率，并增強(qiáng)促進(jìn)其他燃料和化學(xué)物質(zhì)的生成。”

電子結(jié)構(gòu)

催化劑的作用主要是使化學(xué)反應(yīng)更快的同時(shí)消耗更少的能量。金屬催化劑的性能主要取決于其電子結(jié)構(gòu)，即如何排列圍繞單個(gè)原子的電子。

王浩天說：“催化劑的電子結(jié)構(gòu)需要匹配有用的分子，以實(shí)現(xiàn)你想要的化學(xué)反應(yīng)，你可以通過壓縮原子或?qū)⑺鼈兝_來調(diào)整催化劑的電子結(jié)構(gòu)。”

斯坦福研究小組引入了一種新的方法，該方法可以將原子壓縮或分離5%的距離，只有0.01納米。

崔毅稱說：“這看起來似乎沒什么大不了，但它真的是很多實(shí)際上確實(shí)意義重大。我們是怎么做到的？這真的是電池研究和催化劑的密切結(jié)合。”

實(shí)驗(yàn)電極

該研究集中在鈷酸鋰材料，這種材料被廣泛用做于手機(jī)和其他電子設(shè)備的電池材料。研究人員將幾層鈷酸鋰材料堆疊在一起以形成電池狀電極。

崔毅說：“使用電流除去電極上的鋰離子，使其擴(kuò)展0.01納米，在放電階段重新將鋰離子放入，此時(shí)，電極收縮到其原始尺寸。因?yàn)殂K金屬被黏合在邊緣位置，當(dāng)電流增加且在放電收縮期時(shí)，鉑金屬會與電極其它部分一起膨脹。”

對于實(shí)驗(yàn)，斯坦福團(tuán)隊(duì)在鈷酸鋰材料電極上多添加了幾層鉑金屬。

性能

王浩天說：“使鉑金屬層變形0.01納米或5％對其催化性能有顯著影響。我們發(fā)現(xiàn)壓縮鉑金屬可以使其更加活躍，通過壓縮鉑金屬可以使其在水中還原氧的能力提高90%，這一點(diǎn)可以大大提高氫燃料電池的效率。”

共同研究該項(xiàng)目的論文合作者、斯坦福大學(xué)化學(xué)工程教授詹斯·諾斯卡（Jens Norskov）說：“這是一個(gè)理論家的夢想實(shí)驗(yàn)，幾年前，我們從理論上預(yù)測通過擠壓催化劑可以控制其性能。現(xiàn)在通過實(shí)驗(yàn)表明，我們的理論是對的。”

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