催化劑新方向？鉑-石墨烯顯示出比塊狀鉑更優(yōu)異的穩(wěn)定性
? ? ?佐治亞理工學(xué)院研究人員最近發(fā)表的一項研究表明，僅兩個原子厚的石墨烯負(fù)載的鉑薄膜可以使燃料電池催化劑具有前所未有的催化活性和壽命。
? ? ?鉑是燃料電池最常用的催化劑之一，因為它能有效地實現(xiàn)氧化還原反應(yīng)。但是其高昂的成本刺激了研究人員的努力，尋找出在保持相同催化活性的情況下使用少量的方法。
? ? ?佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授Faisal Alamgir說：“用鉑催化劑生產(chǎn)燃料電池總是會有最初的成本，而且保持成本盡可能低很重要。但是，燃料電池系統(tǒng)的實際成本是由該系統(tǒng)能持續(xù)多久來計算的，這是耐久性的問題?！?/section>
? ? ?Alamgir說：“最近，人們一直在追求使用不含鉑的催化系統(tǒng)，但問題是到目前為止，還沒有提出一種能同時兼具催化活性和鉑的耐久性的催化系統(tǒng)?！?/span>
? ? ?佐治亞理工學(xué)院的研究人員嘗試了另一種策略。他們研究了如何創(chuàng)建由一層石墨烯承載的幾個原子厚的鉑薄膜，以將可用于催化反應(yīng)的鉑表面積最大化。
? ? ?大多數(shù)基于鉑的催化系統(tǒng)使用化學(xué)鍵合到載體表面的金屬納米顆粒，其中顆粒的表面原子承擔(dān)大部分催化工作，并且表面下方原子的催化勢從未像表面原子那樣得到充分利用。
? ? ?此外，研究人員表明，至少兩個原子厚的新鉑膜在離解能方面要優(yōu)于納米顆粒鉑，這是衡量去除表面鉑原子的能量成本的量度。該測量表明，這些膜可能會形成可能更長壽的催化體系。
? ? ?為了制備原子薄的薄膜，研究人員使用了一種稱為電化學(xué)原子層沉積的方法，在石墨烯層上生長鉑單層，從而創(chuàng)建了具有一個，兩個或三個原子原子層的樣品。然后，研究人員測試了樣品的解離能，并將結(jié)果與石墨烯上鉑的單個原子的能量以及用于催化劑的鉑納米顆粒的常見構(gòu)型的能量進(jìn)行了比較。
? ? ?“這項工作的核心基本問題是，金屬鍵和共價鍵的結(jié)合是否可能使鉑-石墨烯結(jié)合物中的鉑原子比由催化劑負(fù)載的催化劑中通常使用的本體鉑中的鉑原子更穩(wěn)定?！辈牧峡茖W(xué)與工程學(xué)院副教授Seung Soon Jang說道。
? ? ?研究人員發(fā)現(xiàn)，薄膜中相鄰鉑原子之間的鍵基本上將力與薄膜和石墨烯層之間的鍵結(jié)合在一起，從而在整個系統(tǒng)中提供增強(qiáng)作用，在兩個原子厚的鉑膜中尤其如此。
? ? ?阿拉姆吉爾說：“通常，低于一定厚度的金屬膜是不穩(wěn)定的，因為它們之間的結(jié)合不是定向的，它們往往會相互滾動并聚集成團(tuán)以形成顆粒。”“但是對于石墨烯而言，情況并非如此，石墨烯以二維形式穩(wěn)定，甚至一個原子厚，因為它在相鄰原子之間具有非常強(qiáng)的共價方向鍵。因此，這種新的催化體系可以利用石墨烯的方向鍵與支持原子薄的鉑膜?！?/span>
? ? ?未來的研究將涉及進(jìn)一步測試薄膜在催化環(huán)境中的行為。研究人員在對石墨烯-鉑膜的較早研究中發(fā)現(xiàn)，該材料在催化反應(yīng)中的行為類似，而不論石墨烯或鉑的哪一側(cè)是暴露的活性表面。
? ? ?阿拉姆吉爾說：“在這種配置下，石墨烯不像鉑那樣起獨(dú)立的作用。”“他們作為一個整體一起工作。因此，我們認(rèn)為，如果暴露石墨烯面，則具有相同的催化活性，并且可以進(jìn)一步保護(hù)鉑，從而可能進(jìn)一步提高耐用性?！?/span>
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