約翰霍普金斯大學、加州大學洛杉磯分校的科學家發(fā)現，銅粒子可以穩(wěn)定氫燃料電池用來產生清潔電力的鉑鎳催化劑。

氫燃料電池可以為汽車和卡車提供動力，提供一種不會產生碳排放和污染物的能源。但迄今為止，它們的潛力一直受到限制，因為要引發(fā)產生清潔電力的化學反應，所使用的鉑鎳催化劑成本偏高而且不穩(wěn)定。

通過實驗和計算機模擬，來自約翰霍普金斯大學和加州大學洛杉磯分校的材料科學家們朝著實現這一未來邁出了一大步。他們的研究發(fā)表在《物質》(Matter)雜志上，為一種通過添加銅來穩(wěn)定催化劑的方法提供了新的思路，并詳細說明了這種方法為何有效。

加州大學洛杉磯分校的團隊由材料科學與工程教授黃宇(音譯)領導。霍普金斯大學的研究團隊由材料科學與工程助理教授蒂姆·穆勒(TimMueller)領導。

“問題在于，非常有希望用于燃料電池的鉑鎳催化劑會隨著時間的流逝而降解，”米勒解釋道。他的研究重點是開發(fā)和應用計算方法，以使研究人員能夠了解材料的真實行為并開發(fā)用于先進技術的新材料。“黃教授的團隊發(fā)現，在催化劑中加入銅有助于減少鎳的溶解量，我們的團隊幫助他們找出了原因，這對那些希望在這項研究基礎上更進一步的人來說很重要。”

在實驗中，加州大學洛杉磯分校的研究人員發(fā)現，將銅原子引入到特殊形狀的鉑鎳納米顆粒中，其耐久性比不含銅的納米顆粒提高了40%。這些新型催化劑非常穩(wěn)定，也就是說，在鉑-鎳-銅顆粒中保留了更多的過渡金屬，盡管在腐蝕條件下可能會將它們過濾掉。它們在催化化學反應方面也比鉑鎳合金和商用鉑碳合金更有效。

為了弄清楚為什么會發(fā)生這種情況，米勒在霍普金斯大學的團隊基于實驗數據設計了一個模型，并進行了計算機模擬，揭示了催化劑在燃料電池中遇到的環(huán)境類型中，單個原子是如何在納米顆粒周圍移動的。

“我們對這些粒子進行了模擬，包括有銅的和沒有銅的，以觀察銅的加入如何影響粒子的降解，”約翰霍普金斯大學(JohnsHopkins)材料科學與工程博士后學者、該研究的聯(lián)合首席作者曹亮(音譯)說。“我們能夠在原子尺度上跟蹤粒子的演化，我們的模擬表明，含有銅的粒子更穩(wěn)定，因為它們最初表面有更多的鉑，從而可以防止鎳和銅原子溶解。”

黃教授表示，這項新研究是理解納米材料原子結構與功能關系的一個里程碑，并為高性能納米催化劑的新設計策略打開了大門。