X 射线研究揭示了具有成本效益的燃料电池材料

康奈尔大学的研究人员首次实时捕捉到了一种具有潜力的催化剂材料在运行过程中的动态变化，这一突破性成果为替代清洁能源技术中昂贵的贵金属提供了新的科学见解。

燃料电池能够高效地将氢气和氧气直接转化为电能，而催化剂在加速这一过程中起着至关重要的作用。长期以来，铂因其卓越的效率和耐久性被认为是氧化还原反应的理想催化剂，但其高昂的成本限制了其大规模应用。

为了寻找更具成本效益的替代品，由材料科学家安德烈·辛格（Andrej Singer）和化学家赫克托·阿布鲁尼亚（Héctor Abruña）共同领导的研究团队对钴锰氧化物催化剂展开了研究。在2023年2月7日发表于《自然催化》（Nature Catalysis）的一项研究中，他们利用康奈尔高能同步辐射光源（Cornell High Energy Synchrotron Source, CHESS）的先进X射线技术，实时观察了该催化剂的工作状态。研究结果揭示了这种材料出乎意料的结构稳定性，表明其有望成为铂的一种经济高效的替代品。

由表面吸附物引起的建模应变。图片来源：Nature Catalysis （2025）。DOI： 10.1038/s41929-025-01289-7

“这些钴锰氧化物在运行过程中能够承受令人惊讶的大应变，”康奈尔工程学院材料科学与工程系副教授辛格表示，“许多其他材料在这种条件下会永久变形或降解。”

然而，研究还发现了一个关键局限性：尽管该材料能够反复从快速的小幅电压波动中恢复，但长期暴露于高电压下会引发不可逆的结构转变。这一发现结合进一步的建模分析，正在帮助研究人员更准确地界定该材料潜在的失效点。

“目前描述电化学表面反应的模型无法解释我们的原位实验数据——显然存在更为复杂的机制在起作用，”辛格指出，“未来的研究可能会阐明这些机制，并为高性能催化剂材料的开发提供指导。”

这项研究汇聚了化学家、物理学家和材料科学家，是康奈尔大学跨学科合作的一个典范。它建立在阿布鲁尼亚教授的工作基础上。作为艺术与科学学院（A&S）化学与化学生物学系的埃米尔·M·查莫特讲席教授，以及碱性能源解决方案中心（Center for Alkaline-based Energy Solutions）的主任，阿布鲁尼亚一直致力于探索铂的替代催化剂。

原位 XRD 和 REXS。图片来源：Nature Catalysis （2025）。DOI： 10.1038/s41929-025-01289-7

“这些发现为我们提供了宝贵的洞见，我们相信这将推动相关技术的广泛应用，”阿布鲁尼亚表示，“这项工作也体现了康奈尔大学协作与协同研究的文化氛围，并展示了科学研究如何实现从基础到应用的完整闭环。”

论文的共同作者之一、现为艺术与科学学院化学与化学生物学系助理教授的杨耀（Yao Yang，2021年博士毕业），在其博士阶段便在阿布鲁尼亚课题组中首次研究了钴锰氧化物。物理学教授托马斯·阿里亚斯（Tomás Arias）也参与了本研究，体现了该工作的跨学科特性。

基于这些研究成果，研究团队计划进一步探索其他双金属氧化物体系，并扩展其X射线方法论以研究更广泛的电催化材料。

该研究得到了美国能源部资助的碱性能源解决方案中心（Center for Alkaline-based Energy Solutions）的支持，实验则在国家科学基金会资助的高能X射线科学中心（Center for High-Energy X-ray Sciences at CHESS）完成。

翻译人：沈亚皓

来源：https://fuelcellsworks.com/2025/02/10/fuel-cells/x-ray-study-sheds-light-on-cost-effective-fuel-cell-materials