向更便宜的氢基能源迈进的可能步骤:预测燃料电池中催化剂的性能

诸平

The research group is now collaborating with Toyota Motor Corp. to develop fuel cell catalysts with possible real-world applications. (Pictured: Toyota hydrogen fuel cell concept vehicle, 2019.) . Credit: Unsplash/Darren Halstead

据美国加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles简称UCLA）2022年7月22日提供的消息，向更便宜的氢基能源迈进的可能步骤:预测燃料电池中催化剂的性能（Possible step toward cheaper hydrogen-based energy: Predicting performance of catalysts in fuel cells）。

由加州大学洛杉矶分校(UCLA)的研究人员领导的一项研究，可能有助于加速氢作为一种环保能源在交通运输和其他应用中的使用。该团队开发了一种预测铂合金的强度和稳定性的方法，这是它们在氢燃料电池（hydrogen fuel cells）中发挥催化剂作用的两个关键指标。然后，利用这种技术，他们设计并生产了一种合金，这种合金在接近真实世界使用的条件下产生了出色的效果。相关研究结果于2022年6月9日已经在《自然催化》（Nature Catalysis）杂志网站发表——Jin Huang, Luca Sementa, Zeyan Liu, Giovanni Barcaro, Miao Feng, Ershuai Liu, Li Jiao, Mingjie Xu, Denis Leshchev, Sung-Joon Lee, Mufan Li, Chengzhang Wan, Enbo Zhu, Yang Liu, Bosi Peng, Xiangfeng Duan, William A. Goddard III, Alessandro Fortunelli, Qingying Jia, Yu Huang. Experimental Sabatier plot for predictive design of active and stable Pt-alloy oxygen reduction reaction catalysts, Nature Catalysis, Published: 09 June 2022, 5: 513–523. DOI: 10.1038/s41929-022-00797-0. https://doi.org/10.1038/s41929-022-00797-0

UCLA塞缪尔利工程学院（UCLA Samueli School of Engineering）材料科学与工程教授、UCLA纳米系统研究所（California NanoSystems Institute at UCLA）成员、此论文的通讯作者黄宇（Yu Huang音译）说：“为了地球的可持续性，我们不能继续我们现在的生活方式，而重新发明能源是改变我们道路的一个主要方式。我们有燃料电池汽车，但我们需要让它们更便宜。在这项研究中，我们提出了一种方法，允许研究人员更快地识别正确的催化剂。”

燃料电池利用大气中的氧气和氢气发电。这一过程的关键步骤是使用催化剂（catalyst）打破氧原子对之间的键。最有效的催化剂是高活性的，以驱动反应，同时也足够稳定，可以用于很长一段时间。对于那些设计燃料电池的人来说，找到最好的催化剂一直是一个重大挑战。

铂（Platinum, Pt）是实现这一目的的最佳元素，但它的稀有使这项技术的大规模采用变得过于昂贵。一种将铂与一种更容易获得的金属或其他金属结合在一起的合金可以降低成本，但从来没有一种实际的、真实的方法来快速筛选哪种合金可以成为最好的催化剂。因此，到目前为止，技术的进步是通过试错法（trial and error）取得的。

这篇论文的共同通讯作者之一、意大利国家研究委员会（Italy's National Research Council）的亚历山德罗·福尔图内利(Alessandro Fortunelli)说:“这是朝着在微观尺度上合理设计（rational design）具有最佳性能的催化剂迈出的决定性一步。从来没有人提出一个方法，无论是理论还是实验上，来预测铂合金催化剂的稳定性。”

新方法预测了铂合金催化剂的效价和稳定性。它的研发结合了实验、复杂计算和X射线光谱学，这使得研究人员能够精确地识别化学性质。

然后，研究人员根据他们的实验测量，在特定的原子结构和构型中创造出结合了精确数量的铂、镍和钴的催化剂。他们表明，他们设计的合金具有高活性和高稳定性，是燃料电池催化剂中罕见但急需的组合。

黄宇说，这种方法可以应用于将铂与镍和钴以外的金属子集混合的潜在催化剂。

这篇论文的另一位通讯作者是美国东北大学（Northeastern University）的化学家贾庆英（Qingying Jia音译）和加州理工学院（Caltech）的理论家威廉·戈达德（William Goddard）。

在UCLA的实验室主要负责设计和测试催化剂的黄宇说，与其他机构的科学家和工程师的合作对这项研究的成功至关重要。“如果没有这些合作伙伴，这项工作就不可能完成。对于这种长期的、由好奇心驱动的合作，最重要的是要有合适的人。我们每个人都专注于深入挖掘，试图弄清楚发生了什么。这是一个有趣的团队，这一点也很有帮助。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Development of high-durability single-atomic catalyst using industrial humidifier

Abstract

A critical technological roadblock to the widespread adoption of proton-exchange membrane fuel cells is the development of highly active and durable platinum-based catalysts for accelerating the sluggish oxygen reduction reaction, which has largely relied on anecdotal discoveries so far. While the oxygen binding energy ∆E_O has been frequently used as a theoretical descriptor for predicting the activity, there is no known descriptor for predicting durability. Here we developed a binary experimental descriptor that captures both the strain and Pt transition metal coupling contributions through X-ray absorption spectroscopy and directly correlated the binary experimental descriptor with the calculated ∆E_O of the catalyst surface. This leads to an experimentally validated Sabatier plot to predict both the catalytic activity and stability for a wide range of Pt-alloy oxygen reduction reaction catalysts. Based on the binary experimental descriptor, we further designed an oxygen reduction reaction catalyst wherein high activity and stability are simultaneously achieved.