氫燃料燃料電池電池中使用的鉑催化劑成本很高，限制了其在電動汽車汽車中的商業(yè)化。因此，科學(xué)家們正在研究替代性催化劑，以提高燃料電池的成本效益，同時保持氫燃料電池的高效率。

（圖片來源：阿貢國家實驗室）

由于氫燃料電池加氫速度快、能量密度高，而且不會產(chǎn)生有害的排放或副產(chǎn)品，越來越多的研究人員將其作為車輛和其他應(yīng)用的替代能源。

據(jù)外媒報道，美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）最近研發(fā)了一款不使用鉑的燃料電池催化劑，是一種可以加速重要燃料電池反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)。該項研究對讓此類催化劑更高效的機制有了更好的見解，有助于生產(chǎn)出更高效、更具成本效益的催化劑。

目前商用氫燃料電池都需要依賴氧化還原反應(yīng)（ORR），該反應(yīng)會將氧分子分解成氧離子，并與質(zhì)子結(jié)合形成水。此類反應(yīng)是整個燃料電池工藝的一部分，能夠?qū)⒖諝庵械臍浜脱蹀D(zhuǎn)化為水和電。ORR反應(yīng)相對緩慢，限制了燃料電池的效率，而且需要大量的鉑催化劑。

研究人員表示：“目前，氧化還原反應(yīng)由鉑合金催化劑促進，而鉑合金催化劑是燃料電池電極中最昂貴的部分。如果要大范圍實現(xiàn)燃料電池汽車的可持續(xù)商業(yè)化，就需要大幅減少鉑的使用量，或者利用鐵等地球上儲量豐富且廉價的材料制成催化劑，以取代鉑催化劑?！?/p>

（圖片來源：阿貢國家實驗室）

ORR反應(yīng)中最有前景的無鉑催化劑是以鐵、氮和碳為基礎(chǔ)制成的催化劑。為制造出此種催化劑，科學(xué)家們將含有此三種元素的前體混合在一起，并在900至1100攝氏度的高溫中對其加熱，稱為“熱解”。

熱解之后，該材料中的鐵原子會與四個氮原子結(jié)合，嵌入至單原子厚碳層-石墨烯中。每個鐵原子構(gòu)成一個活性位點，或是ORR反應(yīng)可能會發(fā)生的位點。該材料中的活性位點密度越大，電極的效率就越高。

研究人員在阿貢國家實驗室先進光子源（APS）的材料分析協(xié)作訪問團隊（MR-CAT）進行了現(xiàn)場X射線吸收光譜研究，以揭示在熱解過程中，該材料的原子行為。研究人員讓X射線穿過鐵、氮和碳前體，觀察哪些元素會以化學(xué)方式相結(jié)合，以及如何結(jié)合。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在鐵、氮和碳前體混合物的熱解過程中，首先會形成氮-石墨烯位點，然后氣態(tài)鐵原子會插入此類位點。他們還發(fā)現(xiàn)，通過利用摻雜工藝，首先將氮插入碳中，然后在熱解過程中將鐵引入該系統(tǒng)，而不是將此三種成分一起加熱，就可以在催化劑中產(chǎn)生密度更高的活性位點。

在此過程中，科學(xué)家們將摻雜了氮的碳放入熔爐中，氣態(tài)鐵原子插入四個氮原子中心位的空位上，形成活性位點。此種方法避免了鐵原子在碳塊中聚集和掩埋，增加了石墨烯表面活性位點的數(shù)量。

此次研究為科學(xué)家們提供了一種提高材料活性位點密度的途徑，該小組將繼續(xù)研發(fā)活性更強、更穩(wěn)定的無鉑催化劑，以用于氫燃料電池。

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