科学家首次阐明铂原子移动是导致催化剂表面降解的原因

作为氢经济中的关键电极材料,铂降解严重缩短了电化学能量转换装置的寿命,如燃料电池等。据外媒报道,科学家首次阐明,铂原子移动是导致催化剂表面降解的原因。

半个多世纪以来,铂一直被认为是氧还原反应的最佳催化剂之一,这是燃料电池中发生的关键反应之一。然而,要在交通领域大规模应用氢技术,需要具有长期高活性和稳定性的催化剂,铂很难满足这些需求。

德国基尔大学(Kiel University)的科学家们,与欧洲同步辐射光源(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)和德国尤里希研究中心(Forschungszentrum Julich)合作,发现了铂降解的原因和方式。基尔大学教授Olaf Magnussen表示:“我们得到了可以解释其中奥妙的原子图。”

为了达到这一目的,研究团队利用欧洲同步辐射光源(ESRF)的ID31光束线,从各个方面了解电解质溶液中铂电极的特性。他们发现了原子在氧化过程中如何排列,及其在表面上的移动方式,氧化是导致铂溶解的主要反应。这一发现打开了原子工程学的大门。研究人员Jakub Drnec称,“在这些新知识的基础上,我们可以设想将纳米颗粒的某些形状和表面排列作为目标,以提升催化剂的稳定性。我们也可以找到原子的移动方式,通过在表面添加添加剂,抑制原子的不当移动。”

在与实际装置类似的电化学条件下进行实验,是将研究结果转化为燃料电池技术的关键。“在氧化过程中,铂的表面会迅速发生变化。只有通过新的、非常快速的表面结构表征技术,才能进行测量。基尔大学的研究人员Timo Fuchs表示:“事实上,在ESRF共同开发的高能表面X射线衍射方法,是唯一能够在真实环境中提供此类信息的技术。”

这项研究的成功在于结合了ESRF的X射线测量、尤里希研究中心的高灵敏度溶解测量以及高级计算机模拟。巴塞罗那大学负责模拟工作的Federico Calle-Vallejo说:“只有将不同表征技术和理论计算结合起来,才能提供铂催化剂中纳米级原子的全貌。”

该团队将继续进行实验,进一步了解模拟催化剂颗粒边缘和角落的模型面的降解机制。这些结果将提供铂在反应条件下的稳定性图像,帮助研究人员制定合理的策略,在未来设计出更加稳定的催化剂。

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