氫燃料電池是生產清潔和可再生能源的一種很有前途的技術，但其陰極材料的成本和活性是商業化的主要挑戰。許多燃料電池需要昂貴的鉑基催化劑-啟動和加速化學反應的物質-以幫助將可再生燃料轉化為電能。為了使氫燃料電池在商業上可行，科學家們正在尋找更廉價的催化劑，提供與純鉑同樣的效率。

“像電池一樣，氫燃料電池將儲存的化學能量轉化為電能。不同之處在于，你使用的是一種可補充的燃料，所以原則上，‘電池’將永遠存在，“美國能源部(DOE)科學用戶設施位于美國能源部布魯克海文國家實驗室的國家同步光源II(NSLS-II)的科學家阿德里安·亨特(AdrianHunt)說?！皩ふ乙环N廉價有效的氫燃料電池催化劑基本上是使這項技術更加可行的圣杯?！?/p>

在全世界范圍內尋找燃料電池正極材料的過程中，阿克倫大學的研究人員開發了一種合成催化劑的新方法-鉑和鎳-這些金屬可以形成八面體(八面)形狀的納米粒子。雖然科學家已經確定這種催化劑是最有效的取代純鉑的催化劑之一，但他們尚未完全了解為什么它以八面體的形式生長。為了更好地理解成長過程，阿克倫大學的研究人員與多個機構合作，包括布魯克海文及其NSLS-II。

阿克倫大學(UniversityOfAkron)催化實驗室的首席研究員彭振夢(音)表示：“了解多面催化劑是如何形成的，對于建立其結構-性能相關性和設計出更好的催化劑，具有關鍵作用?！薄般K鎳體系的增長過程是相當復雜的，因此我們與幾個有經驗的團體合作來應對這些挑戰。布魯克海文國家實驗室的尖端技術對這一研究課題的研究有很大幫助?！?/p>

利用NSLS-Ⅱ的超亮X射線以及NSLS-Ⅱ原位和操縱性軟X射線光譜(IOS)光束線的先進性能，研究人員實時揭示了催化劑生長途徑的化學特征。他們的發現發表在“自然通訊”雜志上。

“我們使用了一種名為環境壓力x射線光電子能譜(ap-xps)的研究技術來研究納米粒子在生長反應過程中的表面組成和化學狀態，”IOS首席科學家、研究論文的共同作者伊拉德維卡納里瓦魯約(IradwikanariWaluyo)說。“在這項技術中，我們用x射線照射一個樣品，這會導致電子釋放。”通過分析這些電子的能量，我們可以區分樣品中的化學元素，以及它們的化學和氧化狀態。“

亨特也是這篇論文的作者之一，他補充說：“這和陽光和我們的衣服相互作用的方式很相似。陽光大致是黃色的，但一旦照射到一個人的襯衫上，你就能分辨出這件襯衫是藍色的、紅色的還是綠色的?！?/p>

科學家們不是用顏色，而是識別催化劑表面的化學信息，并將其與其內部進行比較。他們發現，在生長反應中，金屬鉑首先形成并成為納米粒子的核心。然后，當反應溫度稍高時，鉑幫助形成金屬鎳，金屬鎳隨后分離到納米粒子的表面。在生長的最后階段，表面變成兩種金屬的大致相同的混合物。鉑和鎳之間的這種有趣的協同效應在納米粒子八面體形狀的發展和反應活性中起著重要的作用。

“這些發現的好處是，鎳是一種廉價的材料，而鉑是昂貴的，”亨特說。“所以，如果納米粒子表面的鎳催化著反應，而這些納米粒子本身仍然比鉑本身更有活性，那么希望通過更多的研究，我們能夠找到添加鉑的最小量，并得到高活性，從而創造出更高成本效益的催化劑?！?/p>

這些發現取決于iOS的先進能力，在那里，研究人員能夠在比常規XPS實驗通常可能的更高氣壓下進行實驗。

瓦魯約說：“在iOS系統中，我們能夠實時跟蹤納米粒子的組成和化學狀態在實際生長條件下的變化?！?/p>

在美國能源部阿貢國家實驗室的高級光子源(APS)上完成的其他x射線和電子成像研究-另一項DOE科學用戶設施-和加利福尼亞大學歐文分校-分別補充了NSLS-II的工作。

“這項基本工作突出了分離鎳在形成八面體型催化劑中的重要作用。我們對納米催化劑的形狀控制有了更深入的了解?！跋乱徊绞茄芯慷嗝婕{米粒子的催化性能，以了解其結構與性質的相關性?！?/p>

這項研究得到了國家科學基金會和布魯克海文實驗室指導的研究和發展計劃的支持。在NSLS-II和APS的行動得到能源部科學辦公室的支持.