佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)的研究人員最近發(fā)表的一項研究顯示，只有兩個(gè)原子厚度、由石墨烯支撐的鉑薄膜，能夠使燃料電池催化劑具有前所未有的催化活性和壽命。
鉑是燃料電池中最常用的催化劑之一，因為它能有效地促進(jìn)氧化還原反應。但其高昂的成本促使研究人員努力尋找方法，在保持相同催化活性的同時(shí)，使用更少的鉑。
佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授費薩爾·阿拉姆吉爾(Faisal Alamgir)說(shuō)：“生產(chǎn)帶有鉑催化劑的燃料電池總是要付出一定的初始成本，而將成本盡可能地保持在低水平是很重要的。但是燃料電池系統的實(shí)際成本是根據系統的使用時(shí)間來(lái)計算的，這是一個(gè)耐久性的問(wèn)題。”
Alamgir說(shuō)：“最近有一種使用無(wú)鉑催化系統的趨勢，但問(wèn)題是目前還沒(méi)有一種系統可以同時(shí)達到鉑的催化活性和耐久性。”
佐治亞理工學(xué)院的研究人員嘗試了不同的策略。該研究于9月18日發(fā)表在《高級功能材料》期刊上并得到了國家科學(xué)基金會(huì )的支持，他們描述了使用由石墨烯層支撐的原子級薄膜鉑的幾個(gè)系統 - 有效地最大化了可用于催化反應的鉑的表面積，并只需使用少量的貴金屬。
大多數以鉑為基礎的催化系統都使用金屬的納米顆粒與支撐表面進(jìn)行化學(xué)結合，在支撐表面上，粒子的表面原子承擔了大部分催化工作，而表面下原子的催化潛力從未像表面原子那樣得到充分利用(如果有的話(huà))。
此外，研究人員還發(fā)現，至少有兩個(gè)原子厚的新鉑薄膜在離解能方面優(yōu)于納米鉑，而離解能是衡量一個(gè)表面鉑原子的能量成本的指標。這一測量結果表明，這些薄膜可能會(huì )制造出更持久的催化系統。
為了制備原子薄膜，研究人員使用了一種叫做“電化學(xué)原子層沉積”的方法，在石墨烯層上生長(cháng)鉑單層膜，制造出含有一層、兩層或三層原子的樣品。然后，研究人員測試了這些樣品的離解能，并將結果與石墨烯上單個(gè)鉑原子的能量以及用于催化劑的鉑納米顆粒的常見(jiàn)結構的能量進(jìn)行了比較。
“這項工作的核心是，金屬和共價(jià)鍵的結合是否有可能使鉑 - 石墨烯組合中的鉑原子比以金屬鍵結合的大塊鉑的催化劑更穩定，” 材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授Seung Soon Jang說(shuō)。
研究人員發(fā)現，薄膜中相鄰的鉑原子之間的鍵與薄膜和石墨烯層之間的鍵結合在一起，為整個(gè)系統提供了加固。在兩個(gè)原子厚的鉑薄膜上尤其如此。
Alamgir說(shuō)，通常在一定厚度以下的金屬薄膜是不穩定的，因為它們之間的鍵不是定向的，而且它們往往會(huì )相互滾動(dòng)，形成顆粒。但石墨烯并非如此，它在二維形式下是穩定的，甚至只有一個(gè)原子那么厚，因為相鄰原子之間有很強的共價(jià)鍵。因此，這個(gè)新的催化系統可以利用石墨烯的定向鍵來(lái)支持一層原子厚度的鉑薄膜。
未來(lái)的研究將包括進(jìn)一步測試這些薄膜在催化環(huán)境中的行為。研究人員在早期對石墨烯-鉑薄膜的研究中發(fā)現，這種材料在催化反應中表現出類(lèi)似的行為，無(wú)論在哪一側——石墨烯或鉑——都是暴露在外的活性表面。
Alamgir說(shuō)，在這種結構中，石墨烯并沒(méi)有成為鉑的獨立面。他們可以齊心協(xié)力。因此，我們相信，如果你暴露石墨烯的一面，你會(huì )得到同樣的催化活性，這樣你就可以進(jìn)一步保護鉑，潛在地提高了耐久性。
鉑是燃料電池中最常用的催化劑之一，因為它能有效地促進(jìn)氧化還原反應。但其高昂的成本促使研究人員努力尋找方法，在保持相同催化活性的同時(shí)，使用更少的鉑。
佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授費薩爾·阿拉姆吉爾(Faisal Alamgir)說(shuō)：“生產(chǎn)帶有鉑催化劑的燃料電池總是要付出一定的初始成本，而將成本盡可能地保持在低水平是很重要的。但是燃料電池系統的實(shí)際成本是根據系統的使用時(shí)間來(lái)計算的，這是一個(gè)耐久性的問(wèn)題。”
Alamgir說(shuō)：“最近有一種使用無(wú)鉑催化系統的趨勢，但問(wèn)題是目前還沒(méi)有一種系統可以同時(shí)達到鉑的催化活性和耐久性。”
佐治亞理工學(xué)院的研究人員嘗試了不同的策略。該研究于9月18日發(fā)表在《高級功能材料》期刊上并得到了國家科學(xué)基金會(huì )的支持，他們描述了使用由石墨烯層支撐的原子級薄膜鉑的幾個(gè)系統 - 有效地最大化了可用于催化反應的鉑的表面積，并只需使用少量的貴金屬。
大多數以鉑為基礎的催化系統都使用金屬的納米顆粒與支撐表面進(jìn)行化學(xué)結合，在支撐表面上，粒子的表面原子承擔了大部分催化工作，而表面下原子的催化潛力從未像表面原子那樣得到充分利用(如果有的話(huà))。
此外，研究人員還發(fā)現，至少有兩個(gè)原子厚的新鉑薄膜在離解能方面優(yōu)于納米鉑，而離解能是衡量一個(gè)表面鉑原子的能量成本的指標。這一測量結果表明，這些薄膜可能會(huì )制造出更持久的催化系統。
為了制備原子薄膜，研究人員使用了一種叫做“電化學(xué)原子層沉積”的方法，在石墨烯層上生長(cháng)鉑單層膜，制造出含有一層、兩層或三層原子的樣品。然后，研究人員測試了這些樣品的離解能，并將結果與石墨烯上單個(gè)鉑原子的能量以及用于催化劑的鉑納米顆粒的常見(jiàn)結構的能量進(jìn)行了比較。
“這項工作的核心是，金屬和共價(jià)鍵的結合是否有可能使鉑 - 石墨烯組合中的鉑原子比以金屬鍵結合的大塊鉑的催化劑更穩定，” 材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授Seung Soon Jang說(shuō)。
研究人員發(fā)現，薄膜中相鄰的鉑原子之間的鍵與薄膜和石墨烯層之間的鍵結合在一起，為整個(gè)系統提供了加固。在兩個(gè)原子厚的鉑薄膜上尤其如此。
Alamgir說(shuō)，通常在一定厚度以下的金屬薄膜是不穩定的，因為它們之間的鍵不是定向的，而且它們往往會(huì )相互滾動(dòng)，形成顆粒。但石墨烯并非如此，它在二維形式下是穩定的，甚至只有一個(gè)原子那么厚，因為相鄰原子之間有很強的共價(jià)鍵。因此，這個(gè)新的催化系統可以利用石墨烯的定向鍵來(lái)支持一層原子厚度的鉑薄膜。
未來(lái)的研究將包括進(jìn)一步測試這些薄膜在催化環(huán)境中的行為。研究人員在早期對石墨烯-鉑薄膜的研究中發(fā)現，這種材料在催化反應中表現出類(lèi)似的行為，無(wú)論在哪一側——石墨烯或鉑——都是暴露在外的活性表面。
Alamgir說(shuō)，在這種結構中，石墨烯并沒(méi)有成為鉑的獨立面。他們可以齊心協(xié)力。因此，我們相信，如果你暴露石墨烯的一面，你會(huì )得到同樣的催化活性，這樣你就可以進(jìn)一步保護鉑，潛在地提高了耐久性。
