氫燃料電池是用于生產(chǎn)清潔和可再生能源的有前途的技術，但其陰極材料的成本和活性是商業(yè)化的主要挑戰(zhàn)。許多燃料電池需要昂貴的鉑基催化劑-引發(fā)和加速化學反應的物質(zhì)-以幫助將可再生燃料轉(zhuǎn)化為電能。為了使氫燃料電池具有商業(yè)可行性，科學家們正在尋找更實惠的催化劑，以提供與純鉑相同的效率。

“就像電池一樣，氫燃料電池將儲存的化學能轉(zhuǎn)化為電能。不同之處在于你使用的是可補充的燃料，原則上說'電池'將永遠存在，”國家同步加速器的科學家阿德里安亨特說。光源II(NSLS-II)，美國能源部(DOE)DOE布魯克海文國家實驗室科學用戶設施辦公室。“為氫燃料電池尋找廉價有效的催化劑基本上是使這項技術更可行的圣杯。”

參與全球范圍內(nèi)對燃料電池陰極材料的研究，阿克倫大學的研究人員開發(fā)出一種新方法，用金屬-鉑和鎳-合成催化劑，形成八面體(八面)形納米顆粒。雖然科學家已經(jīng)將這種催化劑確定為純鉑的最有效替代品之一，但他們還沒有完全理解為什么它以八面體形狀生長。為了更好地了解增長過程，阿克倫大學的研究人員與多個機構合作，包括Brookhaven及其NSLS-II。

“了解刻面催化劑是如何形成的，在確定其結構-性質(zhì)相關性和設計更好的催化劑方面起著關鍵作用，”阿克倫大學催化實驗室首席研究員彭振夢說。“鉑鎳系統(tǒng)的增長過程非常復雜，因此我們與幾個經(jīng)驗豐富的團隊合作應對挑戰(zhàn)。布魯克海文國家實驗室的尖端技術對研究這一研究課題有很大幫助。”

利用NSLS-II的超亮X射線和NSLS-II的原位和Operando軟X射線光譜(IOS)光束線的先進功能，研究人員實時揭示了催化劑生長途徑的化學特征。他們的研究結果發(fā)表在NatureCommunications上。

“我們使用一種名為環(huán)境壓力X射線光電子能譜(AP-XPS)的研究技術來研究生長反應期間納米顆粒中金屬的表面組成和化學狀態(tài)，”IOS的首席科學家IradwikanariWaluyo表示。研究論文的共同作者。“在這種技術中，我們將X射線導向樣品，導致電子釋放。通過分析這些電子的能量，我們能夠區(qū)分樣品中的化學元素，以及它們的化學和氧化態(tài)。“

Hunt，也是紙上的作者，補充道，“它與陽光與我們的衣服相互作用的方式類似。陽光大致呈黃色，但一旦撞到一個人的襯衫，你可以判斷這件襯衫是藍色，紅色，或綠色。“

科學家們不是用顏色，而是在催化劑表面識別化學信息并將其與內(nèi)部進行比較。他們發(fā)現(xiàn)，在生長反應過程中，金屬鉑首先形成并成為納米粒子的核心。然后，當反應達到稍高的溫度時，鉑有助于形成金屬鎳，后來金屬鎳偏析到納米顆粒的表面。在生長的最后階段，表面變成兩種金屬的大致相等的混合物。鉑和鎳之間的這種有趣的協(xié)同效應在納米粒子的八面體形狀的發(fā)展及其反應性中起重要作用。

“這些發(fā)現(xiàn)的好處在于，鎳是一種廉價的材料，而鉑是昂貴的，”亨特說。“因此，如果納米粒子表面的鎳催化反應，并且這些納米粒子本身仍然比鉑更活躍，那么希望通過更多的研究，我們可以計算出添加的最少鉑量，并且仍然可以得到高活性，創(chuàng)造出更具成本效益的催化劑。“

研究結果取決于IOS的先進能力，研究人員能夠在高于傳統(tǒng)XPS實驗通常可能的氣體壓力下進行實驗。

“在IOS，我們能夠在真實的生長條件下實時跟蹤納米粒子的成分和化學狀態(tài)的變化，”Waluyo說。

在DOE的Argonne國家實驗室-另一個DOE科學用戶設施辦公室-和加州大學-歐文分校的高級光子源(APS)上完成的額外X射線和電子成像研究分別補充了NSLS-II的工作。

“這項基礎工作凸顯了偏析鎳在形成八面體催化劑方面的重要作用。我們對催化劑納米粒子的形狀控制有了更多的了解，”彭說。“我們的下一步是研究多面納米粒子的催化性能，以了解結構-性質(zhì)相關性。”