氫燃料電池是生產(chǎn)清潔和可再生能源的一種很有前途的技術(shù)，但其陰極材料的成本和活性是商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。許多燃料電池需要昂貴的鉑基催化劑-啟動和加速化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)-以幫助將可再生燃料轉(zhuǎn)化為電能。為了使氫燃料電池在商業(yè)上可行，科學(xué)家們正在尋找更廉價的催化劑，提供與純鉑同樣的效率。

“像電池一樣，氫燃料電池將儲存的化學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電能。不同之處在于，你使用的是一種可補(bǔ)充的燃料，所以原則上，‘電池’將永遠(yuǎn)存在，“美國能源部(DOE)科學(xué)用戶設(shè)施位于美國能源部布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的國家同步光源II(NSLS-II)的科學(xué)家阿德里安·亨特(AdrianHunt)說。“尋找一種廉價有效的氫燃料電池催化劑基本上是使這項(xiàng)技術(shù)更加可行的圣杯。”

在全世界范圍內(nèi)尋找燃料電池正極材料的過程中，阿克倫大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種合成催化劑的新方法-鉑和鎳-這些金屬可以形成八面體(八面)形狀的納米粒子。雖然科學(xué)家已經(jīng)確定這種催化劑是最有效的取代純鉑的催化劑之一，但他們尚未完全了解為什么它以八面體的形式生長。為了更好地理解成長過程，阿克倫大學(xué)的研究人員與多個機(jī)構(gòu)合作，包括布魯克海文及其NSLS-II。

阿克倫大學(xué)(UniversityOfAkron)催化實(shí)驗(yàn)室的首席研究員彭振夢(音)表示：“了解多面催化劑是如何形成的，對于建立其結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性和設(shè)計(jì)出更好的催化劑，具有關(guān)鍵作用。”“鉑鎳體系的增長過程是相當(dāng)復(fù)雜的，因此我們與幾個有經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)體合作來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的尖端技術(shù)對這一研究課題的研究有很大幫助。“

利用NSLS-Ⅱ的超亮X射線以及NSLS-Ⅱ原位和操縱性軟X射線光譜(IOS)光束線的先進(jìn)性能，研究人員實(shí)時揭示了催化劑生長途徑的化學(xué)特征。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在“自然通訊”雜志上。

“我們使用了一種名為環(huán)境壓力x射線光電子能譜(ap-xps)的研究技術(shù)來研究納米粒子在生長反應(yīng)過程中的表面組成和化學(xué)狀態(tài)，”IOS首席科學(xué)家、研究論文的共同作者伊拉德維卡納里瓦魯約(IradwikanariWaluyo)說。“在這項(xiàng)技術(shù)中，我們用x射線照射一個樣品，這會導(dǎo)致電子釋放。”通過分析這些電子的能量，我們可以區(qū)分樣品中的化學(xué)元素，以及它們的化學(xué)和氧化狀態(tài)。“

亨特也是這篇論文的作者之一，他補(bǔ)充說：“這和陽光和我們的衣服相互作用的方式很相似。陽光大致是黃色的，但一旦照射到一個人的襯衫上，你就能分辨出這件襯衫是藍(lán)色的、紅色的還是綠色的。“

科學(xué)家們不是用顏色，而是識別催化劑表面的化學(xué)信息，并將其與其內(nèi)部進(jìn)行比較。他們發(fā)現(xiàn)，在生長反應(yīng)中，金屬鉑首先形成并成為納米粒子的核心。然后，當(dāng)反應(yīng)溫度稍高時，鉑幫助形成金屬鎳，金屬鎳隨后分離到納米粒子的表面。在生長的最后階段，表面變成兩種金屬的大致相同的混合物。鉑和鎳之間的這種有趣的協(xié)同效應(yīng)在納米粒子八面體形狀的發(fā)展和反應(yīng)活性中起著重要的作用。

“這些發(fā)現(xiàn)的好處是，鎳是一種廉價的材料，而鉑是昂貴的，”亨特說。“所以，如果納米粒子表面的鎳催化著反應(yīng)，而這些納米粒子本身仍然比鉑本身更有活性，那么希望通過更多的研究，我們能夠找到添加鉑的最小量，并得到高活性，從而創(chuàng)造出更高成本效益的催化劑。”

這些發(fā)現(xiàn)取決于iOS的先進(jìn)能力，在那里，研究人員能夠在比常規(guī)XPS實(shí)驗(yàn)通常可能的更高氣壓下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

瓦魯約說：“在iOS系統(tǒng)中，我們能夠?qū)崟r跟蹤納米粒子的組成和化學(xué)狀態(tài)在實(shí)際生長條件下的變化。”

在美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的高級光子源(APS)上完成的其他x射線和電子成像研究-另一項(xiàng)DOE科學(xué)用戶設(shè)施-和加利福尼亞大學(xué)歐文分校-分別補(bǔ)充了NSLS-II的工作。

“這項(xiàng)基本工作突出了分離鎳在形成八面體型催化劑中的重要作用。我們對納米催化劑的形狀控制有了更深入的了解。“下一步是研究多面納米粒子的催化性能，以了解其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的相關(guān)性。”

這項(xiàng)研究得到了國家科學(xué)基金會和布魯克海文實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的研究和發(fā)展計(jì)劃的支持。在NSLS-II和APS的行動得到能源部科學(xué)辦公室的支持.