Science报道：锯齿状形貌提升催化剂性能

材料牛注：加州大学伯克利分校（UCLA）联合加利福尼亚理工大学的研究小组共同报道了一种锯齿状结构的铂纳米线，呈现出优异的氧还原催化活性，与商业化铂催化剂相比性能提升了近50倍，极大地降低燃料电池贵金属铂用量，达到缩减电池生产成本的目的。为科研工作者提供了一种新的思路。

来自加州大学伯克利分校（UCLA）以及加利福尼亚理工大学（Caltech）的国际研究小组发表了改变铂纳米线形貌的研究。本项研究将表面光滑的纳米线转变为具有锯齿状表面结构的纳米线，进而极大降低了燃料电池贵金属催化剂用量和电池生产成本。

燃料电池以氢气和环境中的氧气为燃料，产生电子和唯一的副产物水蒸气。因此，相比于利用不可再生化石燃料且排放温室气体造成大气污染的内燃机，燃料电池作为一种可持续的车用清洁能源技术，具有很广阔的发展前景。但是，燃料电池严重依赖贵金属铂作为化学反应催化剂，造成车用燃料电池造价高昂，限制了其广泛应用。

但是，在Science刊登的一篇报道中，研究小组阐述了如何利用锯齿状铂纳米线提高催化剂的电催化活性。形成的这种锯齿状而非光滑表面的铂纳米线，增加了新的催化活性位点，这有利于降低反应壁垒，提高氧还原反应速率。同时，细直径的铂纳米线有利于铂原子充分暴露在表面，使它们更容易参加反应，而非内嵌在纳米线内部而无法加入催化反应。所有这些结果在降低催化反应铂用量和电池成本的同时也能加大反应效率和发电速率。

根据以上研究发现，新研发的具有锯齿状铂纳米线催化剂具有很高的活性，以至于可以将燃料电池的铂用量降低至当今水平的1/50。

来自加州大学洛杉矶分校亨利·萨缪理工程和应用科学学院，材料科学与工程的黄煜教授说道：“这个研究是个很好的例子，说明我们可以通过纳米材料的原子尺度调控和微小维度下的结构功能化，获得材料在功能应用中的巨大收益。对于材料科学家而言，这是一个有待我们去探究的奇妙世界。”

黄煜和来自UCLA的化学与生物化学教授段镶锋是这篇文章的共同作者。他们都是UCLA加利福尼亚纳米系统研究所的成员。另一个主要研究者是来自加州理工大学的化学、材料科学和应用物理学教授William Goddard。第一作者是来自UCLA，由黄教授和段教授指导的博士生Mufan Li。

铂在燃料电池阴极侧作为关键的氧还原反应催化剂，直接将化学能转化为电能并生成水蒸气。氧气还原反应是整个电池反应的速度决定步骤，铂是目前唯一可靠的能够加速反应、提高发电能力的催化剂。但是，现阶段工艺水平的铂催化剂因其活性不高，需要用量较大，因而电池生产成本较高。

研究者通过两步过程制备出了该纳米线。第一步，通过热处理制备铂-镍合金纳米线。然后，利用电化学方法选择性移除合金纤维中的镍原子，形成只含铂原子的看似具有绒毛的纳米线。

通过测试发现，锯齿状铂纳米线具有非常高的氧化还原活性，其性能与商业化催化剂相比提升了近50倍。这极大地降低了燃料电池铂催化剂用量，也大大降低了燃料电池的成本。

“具有一维锯齿表面结构的铂纳米线具有丰富的活性位点，能够大幅度加速催化反应并且该催化剂在多次循环测试后仍具有相当的稳定性，”段教授说道，“所以，这种结构能够带来性能上前所未有的突破。”

原文链接：Changing fuel cell catalyst shape would dramatically increase efficiency, lower cost

文献链接：Ultrafine jagged platinum nanowires enable ultrahigh mass activity for the oxygen reduction reaction

本文由编辑部龙骑士供稿，朱星烨翻译，时冰遥审核，点我加入材料人编辑部