佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)的研究人員最近發(fā)表的一項研究顯示，只有兩個原子厚度、由石墨烯支撐的鉑薄膜，能夠使燃料電池催化劑具有前所未有的催化活性和壽命。

鉑是燃料電池中最常用的催化劑之一，因為它能有效地促進氧化還原反應(yīng)。但其高昂的成本促使研究人員努力尋找方法，在保持相同催化活性的同時，使用更少的鉑。

佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授費薩爾·阿拉姆吉爾(Faisal Alamgir)說：“生產(chǎn)帶有鉑催化劑的燃料電池總是要付出一定的初始成本，而將成本盡可能地保持在低水平是很重要的。但是燃料電池系統(tǒng)的實際成本是根據(jù)系統(tǒng)的使用時間來計算的，這是一個耐久性的問題。”

Alamgir說：“最近有一種使用無鉑催化系統(tǒng)的趨勢，但問題是目前還沒有一種系統(tǒng)可以同時達到鉑的催化活性和耐久性。”

佐治亞理工學(xué)院的研究人員嘗試了不同的策略。該研究于9月18日發(fā)表在《高級功能材料》期刊上并得到了國家科學(xué)基金會的支持，他們描述了使用由石墨烯層支撐的原子級薄膜鉑的幾個系統(tǒng) - 有效地最大化了可用于催化反應(yīng)的鉑的表面積，并只需使用少量的貴金屬。

大多數(shù)以鉑為基礎(chǔ)的催化系統(tǒng)都使用金屬的納米顆粒與支撐表面進行化學(xué)結(jié)合，在支撐表面上，粒子的表面原子承擔(dān)了大部分催化工作，而表面下原子的催化潛力從未像表面原子那樣得到充分利用(如果有的話)。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，至少有兩個原子厚的新鉑薄膜在離解能方面優(yōu)于納米鉑，而離解能是衡量一個表面鉑原子的能量成本的指標(biāo)。這一測量結(jié)果表明，這些薄膜可能會制造出更持久的催化系統(tǒng)。

為了制備原子薄膜，研究人員使用了一種叫做“電化學(xué)原子層沉積”的方法，在石墨烯層上生長鉑單層膜，制造出含有一層、兩層或三層原子的樣品。然后，研究人員測試了這些樣品的離解能，并將結(jié)果與石墨烯上單個鉑原子的能量以及用于催化劑的鉑納米顆粒的常見結(jié)構(gòu)的能量進行了比較。

“這項工作的核心是，金屬和共價鍵的結(jié)合是否有可能使鉑 - 石墨烯組合中的鉑原子比以金屬鍵結(jié)合的大塊鉑的催化劑更穩(wěn)定，” 材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授Seung Soon Jang說。

研究人員發(fā)現(xiàn)，薄膜中相鄰的鉑原子之間的鍵與薄膜和石墨烯層之間的鍵結(jié)合在一起，為整個系統(tǒng)提供了加固。在兩個原子厚的鉑薄膜上尤其如此。

Alamgir說，通常在一定厚度以下的金屬薄膜是不穩(wěn)定的，因為它們之間的鍵不是定向的，而且它們往往會相互滾動，形成顆粒。但石墨烯并非如此，它在二維形式下是穩(wěn)定的，甚至只有一個原子那么厚，因為相鄰原子之間有很強的共價鍵。因此，這個新的催化系統(tǒng)可以利用石墨烯的定向鍵來支持一層原子厚度的鉑薄膜。

未來的研究將包括進一步測試這些薄膜在催化環(huán)境中的行為。研究人員在早期對石墨烯-鉑薄膜的研究中發(fā)現(xiàn)，這種材料在催化反應(yīng)中表現(xiàn)出類似的行為，無論在哪一側(cè)——石墨烯或鉑——都是暴露在外的活性表面。

Alamgir說，在這種結(jié)構(gòu)中，石墨烯并沒有成為鉑的獨立面。他們可以齊心協(xié)力。因此，我們相信，如果你暴露石墨烯的一面，你會得到同樣的催化活性，這樣你就可以進一步保護鉑，潛在地提高了耐久性。