科学家们得到了铂催化剂降解的原子图

24-08-2020

铂作为氢经济中的关键电极材料,其降解严重缩短了燃料电池等电化学能量转换装置的寿命。科学家首次阐明了铂原子的运动导致催化剂表面降解。他们的研究结果发表在今天的《自然催化》上。

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半个多世纪以来,铂一直被认为是氧还原的最佳催化剂之一,氧还原是燃料电池中的关键反应之一。然而,很难满足催化剂的长期高活性和稳定性,需要大规模部署的氢技术在运输部门。

由德国基尔大学(Kiel University)领导的科学家们,与ESRF、加拿大维多利亚大学(University of Victoria)、西班牙巴塞罗那大学(University of Barcelona)和德国Julich研究中心(Forschungszentrum Julich)合作,已经发现了铂降解的原因和方式。这篇文章的通讯作者、基尔大学(Kiel University)教授奥拉夫•马格努森(Olaf Magnussen)表示:“我们已经用原子论的观点来解释它。”

为了实现这一目标,该团队前往ESRF的beamline ID31研究电解质溶液中铂电极的不同方面。他们发现了原子在氧化过程中如何排列和移动,氧化过程是导致铂溶解的主要反应。

这一发现为原子工程学打开了大门:“有了这一新知识,我们可以想象靶向特定形状和表面排列的纳米颗粒来增强催化剂的稳定性。我们还可以发现原子是如何运动的,因此我们可以在表面添加添加剂来抑制原子反向运动。”

实验是在与实际装置类似的电化学条件下进行的,这是将研究结果转化为燃料电池技术的关键。“由于铂的表面在氧化过程中会迅速变化,这些测量之所以成为可能,要归功于一种新的、非常快速的表面结构表征技术。这种方法,高能表面x射线衍射,已经在ESRF共同开发,”来自基尔大学的Timo Fuchs解释说,他是这项研究的合著者。他补充道:“事实上,这是唯一一种能够在真实环境中提供此类信息的技术。”这是第一次在这样的条件下用这种技术来确定原子的运动。

这项研究的成功归功于ESRF的x射线测量与在Julich中心进行的高灵敏度溶解测量和高级计算机模拟的结合。来自巴塞罗那大学负责模拟的Federico Calle-Vallejo指出:“只有不同表征技术和理论计算的结合,才能提供铂催化剂中纳米级原子的全貌。”

该团队的下一步是继续实验,为进一步模拟催化剂颗粒边缘和角落的模型面降解机制提供见解。这些结果将提供一个铂在反应条件下的稳定性图,并允许研究人员制定合理的策略,以设计更稳定的催化剂在未来。

参考:

Fuchs, T.等,自然催化,2020年8月24日。DOI: 10.1038 / s41929 - 020 - 0497 - yhttps://www.nature.com/articles/s41929-020-0497-y