任何化学电池，包括古老的伏打电池、锂电池、干电池、燃料电池等都是把化学能转化为电能。每种电池的化学能是不一样的，转化的过程也不同，但是结果都一样——得到电能。比如说古老的伏打电池，把蕴藏在金属锌中的化学能转变为电能，同时使金属锌变成金属离子。由于锌的反应自发进行，所以伏打电池的制备非常简单，如图 ( 4 )的右图所示，这也是为什么伏打电池是最早被人类制备出来的化学电池。类似的，在燃料电池中，氢气所蕴含的化学能被转变为电能。然而，氢气的转变难度比锌要大很多，可以说几乎不能自发进行，那么怎么办呢？

这就要请出能力超强的、能够加工能量的小不点——纳米催化剂。在纳米催化剂的作用下，氢气、甲醇、乙醇、天然气、甚至煤碳中的化学能就可以转变为电能，供应给我们的手机、电视、电脑等各种电气，纳米催化剂是不是很神奇！

目前，氢燃料电池中广泛使用的还是白金催化剂，又叫铂催化剂，也可以称为Pt催化剂。这些催化剂个头非常的小，往往以纳米的尺寸出现，比较的常见的是5个纳米左右。纳米铂催化剂个头到底有多小呢？我们的眼睛是肯定看不见的，普通的显微镜也是看不见的，只有放大倍数达到几十万倍的电子显微镜才能看到它的真面目。

这么说明大家肯定没有感觉，那就让我们打个比方吧。如果把我们一个纳米铂催化剂跟一个乒乓球比较，那么乒乓球是纳米铂催化剂尺寸的800万倍。如果按照体积来算，乒乓球是纳米铂催化剂体积的51200亿亿倍。

这样也许还不直观，可以采用实际事物的类比。如果把我们一个纳米铂催化剂跟一个乒乓球比较，相当于把乒乓球跟谁比较呢？选一个非常有名气，而且我们大家都很熟悉的大山——泰山。从图 ( 6 )可以看出，乒乓球的体积是纳米铂催化剂的51200亿亿倍，而泰山的体积只有一个乒乓球的1.866亿亿倍。也就是说，一个纳米铂催化剂跟一个乒乓球比较，相当于把乒乓球跟27400个泰山比较，而不是跟一个泰山比较。由此可见，一个纳米铂催化剂在现实中是多么的渺小啊！

图 ( 6 ) 催化剂和乒乓球的类比，以及乒乓球和泰山的类比。 

另一方面，虽然纳米铂催化剂的个头很小，是名副其实的小不点，但是纳米铂催化剂的数量却及其庞大。一个燃料电池重要用到1.9亿亿个纳米铂催化剂，如果这些纳米粒子分给全中国的人，那么每个人还可以13.6亿个。正是由于纳米铂催化剂的数量极为庞大，当他们在燃料电池中一起工作的时候，爆发出来的能力也是惊人的，可以快速的把氢气的化学能转化为电能，让燃料电池的汽车一100公里每小时以上的速度在高速公路上快速行驶。这就是人多力量大的最直接证明，就像我们国家的每个人都努力一点，那么国家就会变的越来越好！

其实把铂催化剂的个头做那么小是一件非常困难的事情，也属于高科技的技术。那么为什么要把催化剂个头做的那么小呢？费了那么大的事情做成纳米的尺寸到底有什么神奇之处呢？

这个问题非常有挑战性也很有水平，那么接下来听我慢慢讲解。首先，要知道纳米铂催化剂的真正起作用的部分只有表面一点，内部的铂原子都是没用的。所以制作催化剂的时候，一般来说就是要尽可能的增加催化剂的表面积。比如图 ( 7 )中的铂立方体，虽然很大，但是真正起作用的只有表面的一层原子，如果边长是1厘米，那么面积就是6平方厘米。

如果把这个立方体切三刀，变成8个一样大的小点的立方体，每个小立方体的边长是0.5厘米，8个小立方体的总面积就是12平方厘米。如果把每个小立方体再分别切成八个更小的立方体，那么这些更小的立方体边长是0.25厘米，这些更小的小立方体的总面积就是24平方厘米。如果一直这么切下去，切到第几次的时候能到5个纳米左右呢？经过计算可知，是第21次，如图 ( 7 )所示。这个时候，每个立方体的边长只有0.00000048厘米，也就是4.8纳米，而这些立方体的总面积高达4194304平方厘米，也就是419.4304平方米，跟一个NBA篮球场的面积相当（约437平方米）。也就是指尖大小的一块白金，经过纳米合成之后，表面积从6平方厘米增加到了4194304平方厘米，增加了约70万倍。同时，这些白金催化剂把氢气的化学能转化为电能的速度也加快了70万倍。这就是为什么科学家要想各种办法把白金催化剂的尺寸减小的原因。

图 ( 7 )白金催化剂持续分割减小尺寸，同时大幅增加催化剂的活性面积。 周瑞朗作图

那么白金催化剂到底长成啥样呢？能不能展示一下。当然可以了，请看图 ( 8 )，这是一张放大约30万倍的透射电子显微镜的照片。里面的小黑点就是纳米铂催化剂，量一下就知道，这些纳米铂催化剂的尺寸大小约5纳米。因此，我们的很多实验室都能合成这么小的纳米铂催化剂。

图 ( 8 )纳米白金催化剂的透射电子显微镜的照片。 

有同学可能会问，是否可以一直降低白金催化剂的尺寸？最小能降低到多小呢？答案是肯定的，5纳米左右的铂催化剂的确还可以继续降低尺寸，现在已经有办法可以降低到4纳米、3纳米、2纳米、甚至1纳米。现在最小已经降低到能够降低的最小尺寸——一个铂原子，在降低不是原子了，而是电子和原子核了。化学反应的最小尺度就是原子。

那么越小的纳米催化剂，性能就一定越好吗？答案存在两面性，也就是有些情况是越小越好，达到原子级别的时候达到最大；然而对于另一些催化反应，当催化剂的尺寸小于某个储存的时候催化活性反而降低了。氢燃料电池中的催化剂也会出现上述的两种情况。感兴趣的同学以后会遇到各种各样变化的情况，这样是科研的乐趣所在。

氢燃料电池的强大基因除了质子交换膜、纳米铂催化剂，还有另一个，请看下一篇：多面手气体扩散层