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美國研究人員利用鉑鎳(Pt-Ni)奈米微晶，合成出一種氧還原反應(oxygen reduction reaction, ORR)活性破紀錄的電觸媒(electrocatalyst)。這項成果對於質子交換膜燃料電池(proton-exchange membrane fuel cell, PEMFC)的商業化是個福音，因為催化活性低向來被認為是主要的絆腳石之一。
喬治亞理工學院(GIT)的Younan Xia等人在合成質子交換膜燃料電池所需的鉑鎳奈米微晶時，添加溶劑芐基醚(benzyl ether)，結果不但能大幅減少催化活性表面的介面活性劑數量，還可讓晶體保有八面體的形狀。質子交換膜燃料電池具有相當高的能量轉換效率，未來甚至可望用來取代柴汽油內燃機。根據聯合技術能源(UTC Power)的Minhua Shao團隊的測量，這些八面體的(111)晶面在0.9 V時的「鉑質量活性」(Pt mass activity)為破紀錄的3.3 A/mg，比傳統的鉑碳電觸媒高上17倍。
在鉑與過渡金屬形成的雙金屬奈米微晶中，鉑鎳八面體具有最高的氧還原反應活性。該團隊製備的鉑鎳八面體微晶大小為9 nm，他們使用芐基醚作為溶劑，油胺(oleylamine)與油酸(oleic acid)為介面活性劑，並利用六羰基鎢(W(CO)6)釋出的一氧化碳當作包覆劑。Xia表示，油胺與油酸有助於改善鉑鎳八面體微晶尺寸的一致性，W(CO)6則能增加鎳{111}晶面的數量。此外，他們能輕易製備數公克的這種觸媒，份量超出先前發表的15倍，已足夠供一般燃料電池測試之用。
對於酸性介質中的氧還原反應，純鉑的{111}與{110}晶面活性大約相等，皆遠大於{100}晶面。然而，當鉑與鎳形成合金時，Pt3Ni(111)單晶表面氧還原反應活性的增強效果則大幅超越該晶體的(110)及(100)面。
質子交換膜燃料電池之所以無法大規模商業化，鉑觸媒的價格不菲是原因之一。根據美國能源部的報告，氧還原反應活性須提高3-4倍，才能減少鉑的用量，Xia則認為他們的新觸媒可望取代鉑觸媒，因為其氧還原反應活性增加了17倍之多。
上述研究團隊目前正探討如何製作大小和組成可控制的鉑-過渡金屬八面體奈米微晶，並且測量其氧氣還原反應的催化活性。他們同時試圖提升這些高活性鉑鎳八面體的穩定性。詳見Nano Letters｜DOI: 10.1021/nl401881z。 |