用于氢经济的燃料电池纳米催化剂的简单且可扩展的生产

燃料电池是一种能够从氢气发电的发电机，同时仅将水作为废物排放。希望这种高效的清洁能源系统将在采用氢经济方面发挥关键作用，取代汽车和卡车以及发电厂中的内燃机和电池。

然而，铂的成本可能高达每公斤~30，000美元，一直是一个主要限制，使得燃料电池催化剂过于昂贵。高性能催化剂的生产方法也很复杂，而且在很大程度上受到限制。因此，开发一种简单且可扩展的铂基燃料电池催化剂生产方法是一项紧迫的挑战，同时使用最少量的铂来提高催化性能和稳定性。

为了解决这个问题，由韩国基础科学研究所(IBS)纳米粒子研究中心(CNR)的Sung Yung-Eun教授和Hyeon Taeghwan教授领导的研究小组发现了一种生产纳米催化剂的新方法。

研究人员证明，这些尺寸均匀(3-4纳米)的钴铂(Co-Pt)合金纳米颗粒可以通过简单的热处理生产。该方法结合了易于合成浸渍方法的特点，以及对类似于胶体方法的纳米晶体的大小和形状的精确控制。

CNR-IBS团队开发的新型Co-Pt合金纳米催化剂由两种带相反电荷的金属配合物组成，特别是分别被联吡啶和氯配体包围的Co和Pt离子。

研究小组假设，简单的热处理会导致联吡啶配体热分解成碳壳，可以保护生长的Co-Pt合金纳米颗粒。在优化热处理条件后，他们成功地获得了纳米颗粒尺寸仅为3-4纳米的高度均匀的纳米催化剂。

在该小组开发的纳米催化剂中，Co和Pt原子以称为“金属间相”的规则方式排列，其中不稳定的Co原子被周围的Pt原子稳定。此外，当氮气被有效地掺杂到碳载体上时，离聚物(质子导体)均匀地分散在燃料电池的整个催化剂层上，这更好地促进了向Co-Pt纳米催化剂表面供应氧气。

这些结构特征大大增强了质子交换膜燃料电池的功率性能，表现出5.9 kW / gPt的高额定功率，约为商用氢燃料汽车当前性能的两倍。该团队生产的催化剂已经实现了美国能源部(DOE)设定的大部分2025年目标，目标是燃料电池的长期稳定运行。

CNR-IBS团队坚信，这项研究将刺激下一代燃料电池催化剂的开发。这些发现也将有助于改善合金纳米催化剂在各种其他电催化应用中的催化性能和耐久性。

Hyeon教授说：“设计一种新型双金属化合物作为前体材料一直是这项研究的关键起点。我们开发了一种平台技术，通过简单且可扩展的方法生产复杂形式的合金纳米催化剂，最终以更少的铂使用量实现了增强的燃料电池动力性能。

宋教授说：“这项研究已经达到了世界级的燃料电池性能水平，通过减少铂的含量，超过了美国能源部的大部分2025年目标，铂金可以贡献高达燃料电池成本的40%左右。他补充说：“我们预计这项研究以及一些后续研究将在不久的将来极大地影响氢能汽车产业的增长和氢经济的实现。

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