石墨烯负载的铂可以作为燃料电池催化剂

铂是燃料电池最常用的催化剂之一，因为它能有效地实现技术核心的氧化还原反应。然而，它的高成本促使研究人员努力寻找在保持相同催化活性的同时使用更少量的方法。现在，根据研究人员的说法佐治亚理工学院在美国，石墨烯支撑的只有两个原子厚的铂薄膜可以使燃料电池催化剂具有前所未有的催化活性和寿命

乔治亚理工学院材料科学与工程学院副教授Faisal Alamgir说:“用铂催化剂生产燃料电池总是会有初始成本，尽可能降低成本是很重要的。”“但是燃料电池系统的真正成本是通过系统的使用时间来计算的，这是一个耐久性的问题。

Alamgir说:“最近，有一种使用无铂催化系统的趋势，但问题是，到目前为止，还没有一种系统能同时达到铂的催化活性和耐用性。”

佐治亚理工学院的研究人员尝试了一种不同的策略。他们描述了用一层石墨烯支撑的原子薄的铂薄膜创建的几个系统——有效地最大化了可用于催化反应的铂的总表面积，并且使用了更少的贵金属。

大多数铂基催化系统使用金属纳米颗粒与支撑表面化学结合，在支撑表面上，粒子的表面原子完成了大部分催化工作，而表面下原子的催化潜力从未像表面原子那样充分利用。

此外，研究人员还表明，这种新铂薄膜至少有两个原子厚，在解离能方面优于纳米颗粒铂，解离能是一种衡量清除表面铂原子的能量成本的指标。这一测量结果表明，这些薄膜可能会制造出更持久的催化系统。

为了制备原子薄膜，研究人员使用了一种称为电化学原子层沉积的方法，在石墨烯层上生长铂单层，生成了具有一层、两层或三层原子层的样品。然后，研究人员测试了样品的解离能，并将结果与石墨烯上单个铂原子的能量，以及催化剂中使用的常见铂纳米颗粒结构的能量进行了比较。

材料科学与工程学院的副教授Seung Soon Jang说:“这项工作的核心根本问题是，金属键和共价键的结合是否有可能使铂-石墨烯组合中的铂原子比金属键支持的催化剂中常用的大块铂原子更稳定。”

研究人员发现，薄膜中相邻铂原子之间的键结合了薄膜和石墨烯层之间的键，从而在整个系统中提供强化。在两个原子厚的铂膜中尤其如此。

Alamgir说:“一般来说，低于一定厚度的金属薄膜是不稳定的，因为它们之间的键是没有方向性的，它们倾向于相互滚动并聚集成颗粒。”“但石墨烯不是这样的，它在二维形式下是稳定的，即使是一个原子厚度，因为它在相邻原子之间有非常强的共价键。因此，这种新的催化系统可以利用石墨烯的定向结合来支撑铂原子薄膜。”

未来的研究将包括进一步测试薄膜在催化环境中的表现。研究人员在早期对石墨烯-铂薄膜的研究中发现，无论石墨烯或铂哪一面是暴露的活性表面，该材料在催化反应中表现相似。

Alamgir说:“在这种结构中，石墨烯并不是作为一个与铂分离的实体。”“他们齐心协力。所以我们相信，如果你暴露石墨烯的一面，你会得到相同的催化活性，你可以进一步保护铂，有可能进一步提高耐用性。”

佐治亚理工大学

www.gatech.edu

-由克里斯·瓦夫拉编辑，制作编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。