纳米研究设计一种将高成本铂和低成本稀土元素结合成合金的方法

电动悟空摘录 据外媒报道，纳米研究（Nano Research）根据该杂志发表的最后一篇论文，研究人员设计了一种将高成本铂和低成本稀土元素结合成合金的方法，作为下一代燃料电池的催化剂。这将有助于提高电池性能使重型运输车辆（不适合电池）更容易脱碳。

燃料电池可以将氢的化学能转化为电能，为车辆和其他机器提供动力，只产生水和热量。为了提高相关电化学反应的效率，降低燃料电池的成本，使其比使用化石燃料更具竞争力，关键是找到更好的催化剂，即加速这些反应的材料。

关键化学反应(氧还原反应或ORR）铂是迄今为止最好的电催化剂。然而，铂是一种成本较高的稀有金属，影响了其在燃料电池（特别是质子交换膜燃料电池）中的应用。更重要的是，它具有很高的腐蚀性PEMFC在环境中，这种电催化剂在循环次数较少后会迅速降解。

中国科学院长春应用化学研究所电化学家朱思远表示：研究人员致力于寻找低成本、更耐降解的电催化剂，以保持稳定，并在更长的时间内提供优良的电流密度。

为了降低电催化剂的成本，研究人员主要考虑将铂与其他成本较低的金属合金化，以减少铂的使用，帮助甚至提高铂的催化性能。到目前为止，铂合金化的主要选择是后过渡金属（late transition metal），即位于过渡金属(左)和准金属(右)之间的金属。然而，在恶劣和腐蚀性方面PEMFC在环境中，过渡金属也会溶解。这不仅导致电池性能持续下降，而且溶解的金属进一步与氧还原反应的副产物发生反应，对整个系统造成不可控的损坏。

使用早期过渡金属（early transition metal，在元素周期表中，从第三副到第七副的所有过渡金属元素，包括兰系和兰系元素，都要稳定得多。理论计算表明，到目前为止，铂和这两种早期过渡金属形成的合金是最稳定的。

稀土元素在早期过渡金属中没有得到足够的重视。事实上，稀土元素在地壳中很常见，这非常有利于提高催化剂的电化学活性。因此，使用稀土元素和铂组成合金的问题不是成本，而是酸性介质中的导电性和溶解性差。

研究人员为此设计了一种制备合金的方法。这项技术只需要两个步骤。首先，研究人员获得了现成的兰盐和苯三甲酸（trimesic acid），将这两种前体材料组装成纳米棒。然后，在900°C用铂浸泡这些纳米棒。高温可以保证这两种金属合金化过程的顺利完成。

研究人员测试燃料电池中的压力，以验证铂-兰纳米颗粒的性能。结果表明，该合金电催化剂超过预期值，即使在燃料电池循环3万次后，仍具有优异的稳定性和活性。

研究人员希望在未来尝试使用其他稀土元素和铂组成合金，并测试其是否能超过电催化性能。