低成本燃料电池催化剂的新进展

 据外媒报道，为了降低下一代车载燃料电池的成本，研究人员一直在寻找贵金属（PGM）催化剂的替代物。洛斯阿莫斯（Los Alamos）和橡树岭国家实验室的研究从新材料的确定到了解其原子层面的工作原理，对如何提高燃料电池的性能进行了深入研究。研究成果已发表于科学杂志中。这一研究将从原子微观结构和功能角度对新型催化剂催化活性原理进行深入解读。

以Los Alamos国家实验室为首的研究团队在前人研究的基础上成功合成了Pt贵金属替代催化剂，试验表明替代催化剂与当前标准车用燃料电池PGM催化剂性能相当。通过橡树岭国家实验室（ORNL）的先进显微镜技术，研究人员成功观察到了新型催化剂材料中的单原子活性位点，为非PGM材料的催化效率潜力提供了新的认识。

Pt对燃料电池阳极的电催化氧化以及阴极的电催化还原都有一定的催化作用。在成功找到贵金属催化剂替代材料后，对新催化材料催化过程的具体位置和反应方式的研究成了新的挑战。

本研究中研究的是Fe-C-N电催化剂，由两种氮前驱物合成，形成的层孔结构将大部分碳表面暴露于氧气中。其性能十分接近贵金属Pt催化剂，可以有效地提高燃料电池性能。借助于ORNL的像差校正扫描透射电子显微镜和电子能量损失光谱仪，研究人员观察到了原子水平的ORR活性位点，FeN4。ORNL的研究人员认为，随着反应活性位点的原子可视化进展，他们正在缩小贵金属替代催化剂与车用Pt催化剂的性能差距。此外，Los Alamos实验室通过计算机模拟成功预测了Fe-C-N电催化剂的高活性和FeN4活性位点结构以及可能的反应途径。

此项研究工作由美国能源部能源效率和可再生能源办公室资助。显微镜等仪器由ORNL纳米材料科学中心提供，计算等资源由Los Alamos实验室计算机项目部提供。