由太平洋西北国家实验室(PNNL)的材料科学家领导的多机构研究小组设计了一种高活性和持久性的催化剂，该催化剂不依赖昂贵的铂来刺激必要的化学反应。新催化剂含有散布着氮和碳的钴。与由铁制成的结构相似的催化剂(另一种有希望的，经过充分研究的铂替代物)相比，研究小组发现钴催化剂实现了类似的反应，但耐久性是其四倍。

该团队的研究表明了运输燃料电池的前景，该研究发表在2020年11月30日的《自然催化》上。

寻求替代昂贵的铂金

通常设想质子交换膜或PEM燃料电池与氢气配对使用，以实现跨不同部门的多种应用，包括运输，固定和备用电源，金属制造等。这些高效，清洁的能量转换装置需要用于化学反应的非常活泼的催化剂-氧还原反应或使燃料电池有效运行的“生命线” 。

铂族金属是PEM燃料电池生产效率最高的催化剂材料，但它们约占燃料电池成本的一半。

因此，科学家们正在研究过渡金属(例如铁)作为铂的有前途的替代品，但他们发现它们在酸性PEM燃料电池环境中会迅速降解。

PNNL的专业知识和能力有助于提高钴基催化剂的活性和耐久性。图片提供：Andrea Starr | 太平洋西北国家实验室

输入钴(一种相对于铂而言便宜且丰富的过渡金属)。先前的研究表明，钴的活性远低于铁基催化剂。

负责这项研究的PNNL材料科学家Yuyan Shao说：“我们知道，由氮和碳构成的钴结构是催化剂有效反应的关键，而活性位点的密度对性能至关重要。” “我们的目标是真正提高钴基催化剂的反应活性。”

击剑原子

该团队将钴基分子固定在沸石咪唑酸盐骨架的微孔中，这些分子用作保护性围栏，以降低钴原子的迁移率并防止其聚集在一起。然后，他们使用高温热解将原子转化为骨架内的催化活性位。

在这种结构内，他们发现活性位点的密度显着增加，从而增加了反应活性。实际上，迄今为止，这已实现了燃料电池中非铁，铂族无金属催化剂的最高活性。

研究小组还发现，钴基催化剂比使用相同方法合成的铁基催化剂更耐用。他们首次发现脱金属的显着差异，其中金属离子从催化剂中浸出，然后该催化剂失去活性。他们还发现，过氧化氢中的氧自由基是燃料电池中氧还原的副产物，会腐蚀催化剂并造成性能损失。

高活性，更耐用

“最后，我们不仅能够提高钴基催化剂的活性，而且还能显着提高耐用性，”邵说。“我们的进一步研究使我们发现了通常会降解这些类型催化剂的机理。”