氫燃料電池是清潔和可再生能源領(lǐng)域極具前景的技術(shù)，但其陰極材料成本和活性是當(dāng)前商業(yè)化拓展的主要挑戰(zhàn)。

許多燃料電池需要昂貴的鉑基催化劑“引發(fā)”和“加速”化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)可再生燃料向電能的轉(zhuǎn)化。為了使氫燃料電池更具商業(yè)可行性，科學(xué)家們正在尋找實(shí)現(xiàn)純鉑相同效率，但價格更為便宜的催化材料。

“像電池一樣，氫燃料電池將儲存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為氫燃料電池尋找廉價有效的催化劑，是實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)技術(shù)商業(yè)可行的重要一環(huán)�！笨茖W(xué)家阿德里安亨特表示。

通過參與全球范圍內(nèi)對燃料電池陰極材料的研究，阿克倫大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新方法，試用金屬“鉑”和“鎳”合成催化劑，形成八面體（八面）形納米顆粒。雖然科學(xué)家已將該種催化劑確定為純鉑最有效替代品之一，但研究人員仍沒有完全理解合成催化劑為何要成長為八面體的存在。

為更好地了解增長過程，阿克倫大學(xué)的研究人員與多個機(jī)構(gòu)合作，包括Brookhaven及其NSLS－II聯(lián)合推進(jìn)了進(jìn)一步的觀察和研究。

“了解催化劑如何形成，對于確定其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)相關(guān)性和設(shè)計更好的催化劑方面起著關(guān)鍵作用�！卑⒖藗惔髮W(xué)催化實(shí)驗(yàn)室首席研究員彭振夢表示：“鉑鎳系統(tǒng)的增長過程非常復(fù)雜，因此我們將與幾個經(jīng)驗(yàn)豐富的團(tuán)隊(duì)合作應(yīng)對挑戰(zhàn)�！�

通過利用NSLS－II的超亮X射線、NSLS－II的原位以及Operando軟X射線光譜（IOS）光束線的先進(jìn)功能，研究人員實(shí)時揭示了催化劑生長途徑的化學(xué)特征。

“我們將X射線導(dǎo)向樣品，導(dǎo)致電子釋放。通過分析這些電子的能量，我們能夠區(qū)分樣品中的化學(xué)元素，以及它們的化學(xué)和氧化態(tài)�！盜OS的首席科學(xué)家Iradwikanari Waluyo解釋。

科學(xué)家們在催化劑表面識別化學(xué)信息，并將其與內(nèi)部進(jìn)行比較。通過對比，他們發(fā)現(xiàn)在合成催化劑生長反應(yīng)過程中，金屬鉑首先形成并成為納米粒子的核心，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到稍高溫度時，鉑有助于形成金屬鎳，后續(xù)金屬鎳將逐步偏析到納米顆粒的表面。

在生成的最后階段，催化劑顆粒表面會形成兩種金屬量大致相等的混合物，鉑和鎳間的有趣協(xié)同效應(yīng)，在納米粒子的八面體形狀及反應(yīng)性發(fā)展中起著重要作用。

“鎳是一種廉價的材料，而鉑十分昂貴�！焙嗵乇硎荆骸拔覀兿Ｍ�通過更多的研究，計算出在保持催化劑高活性的情況下，試用最少量的鉑，創(chuàng)造出更具成本效益的催化劑�！�

研究結(jié)果將取決于IOS的先進(jìn)能力�！霸贗OS，我們能夠在實(shí)際生長條件下，實(shí)時跟蹤納米粒子的成分和化學(xué)狀態(tài)的變化。”相關(guān)研究人員表示。