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SSRL促进铂基催化剂的发展

2019/10/16 9:49:061530

据fuel cell works网站报道：来自斯坦福联合学院、斯坦福材料与能源科学学院（SIMES）和SUNCAT表面科学与催化中心的科学家们最近联合研究出一种可促进燃料电池能量释放反应的催化剂。研究发现将作为催化剂的超薄铂层负载在单晶铑上，可以更好地促进反应的进行，且持续时间更加长久。SIMES团队研究两了种不同的铂铑纳米结构：一种是将铂沉积在铑晶体的单一原子层上，而另一种是将同等的铂凝集成颗粒，并将铑掺入其中。他们在斯坦福大学利用高分辨率X射线光谱仪在同步辐射光源的光束线6-2的照射下检查其表面化学特性，考察了这两种结构的催化活性。结果表明：这两种样本显示出明显不同的特征：颗粒铂更好地抓住和吸附了氧原子，而单层铂表面几乎没有捕捉到氧原子。氧原子是燃料电池反应中化学键断裂和形成的关键，在微生物燃料电池阴极，氧气分子、载流电子和质子发生反应生成水。催化剂对氧原子的吸附强度是决定了催化剂的效率的关键因素，如果催化剂吸附氧气的能力太弱，则氧分子内部的初始键无法打破。但如果氧原子被催化剂吸附过牢，则无法形成新的化学键。SUNCAT中心的学生利用密度泛函理论解释了SIMES的结果，经研究发现铂表面原子吸附氧原子的能力取决于在铂与铑的相邻位置上有多少原子。通常，铂原子周边金属原子越少其吸附氧原子的能力越强，这解释了铂铑颗粒吸附氧气的能力强于单原子层铂铑，而弱于纯铂的原因。研究人员也识别出了铂铑颗粒中最活跃的位置，并预测优化后铂铑纳米结构可能比纯铂活跃五倍。此外，这种结构拥有比铂镍和铂钴催化剂更小的衰减程度，从而能够满足高活性和高稳定性的要求。