萨凡纳·米切姆，阿尔贡国家实验室 原子力显微镜图像显示，铂表面边缘覆盖了不同的金层(较浅的阴影)
金层减轻了燃料电池运行期间铂的溶解
学分:阿尔贡国家实验室 由聚合物电解质膜燃料电池驱动的车辆节能环保，但尽管公众对PEMFC驱动的交通越来越感兴趣，燃料电池材料目前的性能限制了其广泛的商业化
美国科学家
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能源部阿贡国家实验室领导了一个小组来调查质子交换膜燃料电池中的反应，他们的发现为技术的创造提供了信息，这种技术可以使燃料电池更接近实现其全部市场潜力
质子交换膜燃料电池依靠氢作为燃料，氢在电池阳极侧通过氢氧化反应被氧化，而空气中的氧在阴极用于氧还原反应
通过这些过程，燃料电池产生电能来驱动汽车和其他应用中的电动机，释放出的水是唯一的副产品
铂基纳米粒子是促进燃料电池反应最有效的材料，包括阴极的ORR
然而，除了它们的高成本之外，铂纳米粒子还会逐渐降解，特别是在阴极，这限制了催化性能并缩短了燃料电池的寿命
该研究小组包括美国能源部橡树岭国家实验室和几个大学合作伙伴，他们使用了一种新的方法来研究铂在原子和分子水平上的溶解过程
这项研究使他们能够确定阴极氧化还原过程中的降解机理，这些见解指导了使用金消除铂溶解的纳米催化剂的设计
“在暴露于燃料电池的高腐蚀性环境中时，铂的溶解发生在原子和分子的尺度上，”沃伊斯拉夫·斯塔蒙科维奇说，他是高级科学家，也是阿尔贡(MSD)材料科学部门能量转换和存储小组的组长
“这种材料退化影响了燃料电池的长期运行，给燃料电池在运输中的应用带来了障碍，特别是在重载应用中，如长途卡车
" 从小处着手 科学家们使用了一系列定制的表征工具来研究单晶表面、薄膜和纳米粒子中明确定义的铂结构的溶解
阿尔贡MSD的科学家、该研究的第一作者皮埃特罗·帕帕·洛佩斯说:“我们已经开发了在原子尺度上观察过程的能力，以了解溶解的机制，并确定溶解发生的条件。”
“然后我们将这些知识应用到材料设计中，以减少溶解并提高耐用性
" 该团队使用特定表面工具、电化学方法、电感耦合等离子体质谱、计算建模和原子力、扫描隧道和高分辨率透射显微术，在基础水平上研究了溶解的性质
此外，科学家们依靠高精度合成方法来创建具有明确物理和化学属性的结构，确保通过研究二维表面发现的结构和稳定性之间的关系被带到他们生产的三维纳米粒子中
“我们进行了这些研究——从单晶、薄膜到纳米粒子——向我们展示了如何合成铂催化剂来提高耐用性，”洛佩斯说，“通过观察这些不同的材料，我们还确定了使用金来保护铂的策略。”
" 去淘金 当科学家们通过观察几个试验台场景中的溶解现象来揭示溶解的基本性质时，研究小组利用这些知识通过添加金来减轻溶解
研究人员利用阿贡纳米材料中心和橡树岭国家实验室纳米材料科学中心的透射电子显微镜能力，在合成后和操作前后对铂纳米粒子成像，这两个中心都是美国能源部科学用户设施办公室
这项技术使科学家能够比较掺入和不掺入金的纳米粒子的稳定性
研究小组发现，黄金在内核中的受控放置促进了铂在最佳表面结构中的排列，从而获得了高稳定性
此外，金被选择性地沉积在表面上，以保护研究小组认为特别容易溶解的特定部位
这种策略通过保持铂原子附着在仍然能有效催化ORR的位点上，消除了铂从本研究中使用的甚至最小的纳米颗粒中的溶解
原子级理解 理解原子水平上溶解背后的机制对于揭示铂损失、表面结构和铂纳米粒子的尺寸和比率之间的关系，以及确定这些关系如何影响长期运行是至关重要的
“这项研究的新部分是通过从单晶和薄膜到纳米颗粒的不同尺度的材料设计来解决铂的溶解机理并完全减轻铂的溶解，”斯塔蒙科维奇说
“我们通过纳米材料的设计和合成获得的洞察力解决了燃料电池的耐久性问题，并能够描述和量化导致燃料电池性能下降的其他过程中铂催化剂的溶解情况
" 该团队还开发了一种预测老化算法来评估铂基纳米粒子的长期耐用性，并发现与不含金的纳米粒子相比，耐用性提高了30倍
7月20日，在《自然材料》杂志上发表了一篇关于这项研究的论文，题为“在原子尺度上消除铂基电催化剂的溶解”
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