铂 – 石墨烯燃料电池催化剂显示出优于块状铂的稳定性

根据乔治亚理工学院研究人员最近发表的一项研究，石墨烯支持的铂金仅有两个Atom厚的薄膜可以使燃料电池催化剂具有前所未有的催化活性和长寿命。

铂是燃料电池最常用的催化剂之一，因为它能够有效地使氧化还原反应成为技术的核心。但其高成本促使研究人员努力寻找使用少量其它方法的方法，同时保持相同的催化活性。

佐治亚理工学院材料科学与工程学院的副教授费萨尔·阿拉姆吉尔说：“生产含有铂催化剂的燃料电池总是会产生初始成本，重要的是要尽可能降低成本。” “但燃料电池系统的实际成本是根据系统持续的时间来计算的，这是一个耐久性问题。

“最近有人推动使用不含铂的催化体系，但问题是到目前为止还没有一种系统可以同时匹配催化活性和铂的耐久性，”Alamgir说。

乔治亚理工学院的研究人员试图采用不同该研究于9月18日发表在“高级功能材料”期刊上并得到国家科学基金会的支持，他们描述了使用由石墨烯层支撑的Atom级薄膜铂的几个系统 – 有效地最大化了整个表面铂的面积可用于催化反应并使用少量的贵金属。

大多数铂基催化体系使用化学键合到载体表面的金属Nano粒子，其中粒子的表面Atom完成大部分催化作用，表面下Atom的催化潜力从未像表面Atom一样充分利用。 ，如果有的话。

此外，研究人员表明，至少两个Atom厚度的新铂膜在解离能中胜过Nano粒子铂，这是去除表面铂Atom的能量成本的量度。该测量结果表明，这些薄膜可以制造出更具持久性的催化体系。

为了制备Atom级薄膜，研究人员使用了一种称为电化学Atom层沉积的工艺，在石墨烯层上生长铂单层，从而形成具有一个，两个或三个Atom层Atom的样品。然后，研究人员测试了样品的解离能，并将结果与​​石墨烯上单个铂Atom的能量以及催化剂中常用的铂Nano粒子的能量进行了比较。

“这项工作的核心问题在于，金属和共价键合的结合是否有可能使铂 – 石墨烯组合中的铂Atom比通常用于催化剂中的大块铂的对应物更稳定。金属粘合，“Seung Soon Jang说，他是材料科学与工程学院的副教授。

研究人员发现，薄膜中相邻铂Atom之间的结合基本上将力与薄膜和石墨烯层之间的结合在一起，从而在整个系统中提供增强作用。在两个Atom厚的铂膜中尤其如此。

“通常低于一定厚度的金属薄膜不稳定，因为它们之间的粘合不是方向性的，它们倾向于相互滚动并聚集形成颗粒，”Alamgir说。 “但石墨烯不是这样，它以二维形式稳定，甚至一个Atom厚，因为它在相邻Atom之间具有非常强的共价键。因此，这种新的催化体系可以利用石墨烯的定向键合支持Atom级薄的铂金薄膜。“

未来的研究将涉及进一步测试薄膜在催化环境中的表现。研究人员在早期对石墨烯 – 铂薄膜的研究中发现，该材料在催化反应中表现相似，无论哪一侧 – 石墨烯或铂 – 是暴露的活性表面。

“在这种配置中，石墨烯并不是与铂金分开的实体，”Alamgir说。 “他们一起合作。所以我们相信，如果你暴露石墨烯一面，你会得到相同的催化活性，你可以进一步保护铂金，可能进一步提高耐久性。”

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