带有石墨烯袋的Pt纳米催化剂提高了燃料电池的耐用性和效率

混合动力和电动汽车的制造和部署正在增加，为运输业脱碳的持续努力做出了贡献。虽然汽车和小型车辆可以使用锂电池供电，但到目前为止，卡车和大型公共汽车等重型车辆的电动化已被证明更具挑战性

燃料电池是通过化学反应发电的设备，是为重型车辆提供动力的有前景的解决方案。迄今为止使用的大多数燃料电池都是所谓的质子交换膜燃料电池（PEMFC），这种电池通过氢气和氧气的反应发电，利用固体聚合物膜将质子从阳极传导到阴极

尽管有潜力，但许多现有的燃料电池的寿命和效率有限。到目前为止，这些限制阻碍了它们在电动或混合动力卡车、公共汽车和其他重型卡车车辆制造中的广泛采用

由Yu Huang教授领导的加州大学洛杉矶分校（UCLA）的一个研究小组最近设计了一种新的基于铂（Pt）的纳米催化剂，这种材料可以加速化学反应，并有助于提高燃料电池的效率和耐用性。这种催化剂发表在《自然纳米技术》上的一篇论文中，由Pt纳米粒子组成，由石墨烯纳米袋保护，并负载在一种称为Ketjenblack的碳上

该论文的资深作者Huang告诉Phys.org：“我们的研究源于对重型车辆（HDV）脱碳的迫切需求，如长途卡车，这需要延长操作范围和耐用性。”“燃料电池是一种有前景的HDV电气化解决方案，因为与电池相比，它们具有优越的系统级质量比能量密度。然而，一个主要的障碍是催化剂的稳定性。”

通常用于制造PEMFC催化剂的铂和其他合金金属往往会逐渐溶解，它们的一些原子会重新沉积在其他颗粒上，导致它们变大。”。这一过程减少了可以加速燃料电池反应的催化剂面积，最终导致其性能随时间下降

“受这一挑战的启发，我们加州大学洛杉矶分校的团队开发了一种具有创新保护性但可渗透结构的铂基催化剂，”黄说。“我们的主要目标是设计一种催化剂结构，有效防止金属溶解，并在长时间使用后保持高催化活性。”黄和她的同事开发的铂基纳米催化剂具有独特的设计，可以减缓其随时间的降解。催化剂由包裹在薄石墨烯保护层内的超细铂纳米粒子组成，称为石墨烯纳米袋

“这些石墨烯纳米颗粒保护铂纳米颗粒免于溶解和聚结（聚集在一起），”该文章的共同第一作者Zeyan Liu解释道。“此外，这些受保护的纳米粒子被限制在碳载体的孔隙内，在恶劣的操作条件下显著提高了稳定性和耐用性。”

这项最近的研究引入了一种替代催化剂，可以提高燃料电池的性能和耐用性，因为它不会像过去引入的许多催化剂那样迅速恶化。在最初的测试中，新的铂基纳米催化剂产生了非常有前景的结果，因为采用它的燃料电池表现出了前所未有的稳定性，同时也保持了高催化活性和效率

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该论文的共同第一作者Bosi Peng说：“催化剂表现出了卓越的性能，包括初始质量活性为0.74 A mg⁻¹，额定功率密度为1.08 W cm \8315》。值得注意的是，在经历了90000次电压循环的严格加速应力测试后，催化剂的功率损失小于1.1%。”。这些指标表明，预计燃料电池寿命将超过20万小时，大大超过了能源部目前对重型燃料电池的目标。“

未来，黄和她的同事设计的新催化剂可用于开发新的高性能和耐用的氢基燃料电池。这些燃料电池反过来可用于为各种重型卡车提供动力，从而为减少碳排放的持续努力做出贡献。

黄补充道：“我们的研究在减少排放和提高交通部门的燃料经济性方面迈出了重要一步，这些部门对能源消耗和环境影响有重大影响。”“除了进一步提高铂催化剂的活性和耐用性外，我们的目标是将未来的研究重点放在优化整个催化剂电极结构上，以进一步提高燃料电池的性能。”

“开发先进的碳支撑材料、创新的电极结构和改进的离聚物组件同样至关重要，因为它们会显著影响高电流密度性能和整体燃料电池的稳定性。”

黄在加州大学洛杉矶分校的研究小组现在进行旨在改进和推进燃料电池的进一步研究。他们目前的工作重点是改进膜电极组件，这是PEMFC的核心部件 More information: Zeyan Liu et al, Pt catalyst protected by graphene nanopockets enables lifetimes of over 200,000 h for heavy-duty fuel cell applications, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01895-3

Journal information: Nature Nanotechnology