萨凡纳·米切姆，阿尔贡国家实验室 在高级光子源、材料研究协作访问团队的束线10-ID处的实验装置，用于热解期间电催化剂前体的x光吸收分析
学分:阿尔贡国家实验室 用于氢燃料电池的铂催化剂的高成本限制了燃料电池电动车的商业化
科学家们正在研究替代催化剂，以提高成本效益，保持氢燃料电池的效率
研究人员越来越多地将氢燃料电池系统作为车辆和其他应用的替代能源，因为它们使用时间快，能量密度高，并且没有有害的排放物或副产品
美国科学家
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能源部阿贡国家实验室最近开发并研究了不使用铂的燃料电池催化剂——加速重要燃料电池反应的化学物质
该研究提供了对使这些催化剂有效的机制的更好理解，并且新的见解可以有助于为生产更有效和更具成本效益的催化剂提供信息
商用氢燃料电池依靠氧还原反应，将氧分子分解成氧离子，并与质子结合形成水
该反应是整个燃料电池过程的一部分，将空气中的氢和氧转化为水和电
ORR是一个相对较慢的反应，限制了燃料电池的效率，并且需要大量的铂催化剂
“目前，氧还原反应是由铂合金催化剂促进的，这是燃料电池电极中最昂贵的成分，”高级化学家、阿尔贡化学科学与工程(CSE)部门氢和燃料电池材料小组组长黛博拉·迈尔斯说
燃料电池电动汽车的广泛、可持续的商业化要求要么大幅减少所需的铂量，要么用富含地球的廉价材料如铁来代替铂催化剂
" 最有希望用于ORR的无铂催化剂是基于铁、氮和碳的
为了生产这种催化剂，科学家们将含有这三种元素的前体混合，并通过一种叫做热解的过程将它们加热到900到1100摄氏度
热解后，材料中的铁原子与四个氮原子结合，嵌入石墨烯平面，即一个原子厚的碳层
每一个铁原子都构成一个活性位点，或者说是一个能发生ORR的位点
材料中活性位点的密度越大，电极越有效
对研究中发生热解的炉子内部进行观察
(图片由阿尔贡国家实验室提供 迈尔斯说:“热解过程中形成活性位点的机制仍然非常神秘。”
“我们在原子尺度上实时观察了这一过程，以获得理解，并为设计性能更好的催化剂提供信息
" 迈尔斯和他的合作者在阿尔贡先进光子源的材料研究合作访问小组进行了原位x光吸收光谱研究
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能源部科学办公室用户设施，以揭示材料在热解过程中原子尺度的行为
他们将x光束对准铁、氮和碳的前体，观察哪些元素以化学方式相互结合以及如何结合
科学家发现，在铁、氮和碳前体混合物的热解过程中，首先形成氮-石墨烯位点，然后气态铁原子插入这些位点
他们还发现，他们可以在催化剂中产生更高密度的活性位点，方法是首先将氮插入碳中，使用一种叫做掺杂的技术，然后在热解过程中向系统中引入铁，而不是将所有三种组分一起加热
在这个过程中，科学家将掺氮的碳放入熔炉中，气态铁原子插入四个氮原子组中心的空位中，形成活性位点
这种方法避免了铁原子在大部分碳中的聚集和掩埋，增加了石墨烯表面活性位点的数量
这项研究是由美国能源部燃料电池技术办公室资助的一个更大项目的一部分，该项目被称为电催化联盟(ElectRic Association)，旨在推动燃料电池用无铂催化剂的发展
电热线由阿尔贡和美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室领导，成员包括美国能源部国家可再生能源实验室和橡树岭国家实验室
这项研究是由电子科技大学和东北大学合作完成的
迈尔斯说:“作为ElectroCat的核心国家实验室成员之一，我们的任务不仅是在联盟中开发我们自己的催化剂，而且还要支持与大学和行业的合作。”
这项研究的结论有助于缩小输入前体和热解后催化剂最终结构之间的知识差距
这一关键发现为科学家们提供了一条提高材料活性中心密度的途径，该集团将继续开发更具活性和稳定性的无铂催化剂，用于氢燃料电池
2019年12月27日，《美国化学学会杂志》上发表了一篇概述该研究结果的论文，标题为“热解过程中通过气相铁从铁化合物到Fe1(II)N4位点的进化途径”
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