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(xiàng)研究顯示，只有兩個(gè)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?yàn)樗苡行У卮龠M(jìn)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(shí)，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(fèi)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(shí)際成本是根據(jù)系統(tǒng)的使用時(shí)間來計(jì)算的，這是一個(gè)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(shì)，但問題是目前還沒有一種系統(tǒng)可以同時(shí)達(dá)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(jí)功能材料》期刊上并得到了國家科學(xué)基金會(huì)的支持，他們描述了使用由石墨烯層支撐的原子級(jí)薄膜鉑的幾個(gè)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(jìn)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(gè)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(gè)表面鉑原子的能量成本的指標(biāo)。這一測(cè)量結(jié)果表明，這些薄膜可能會(huì)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(zhǎng)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(cè)試了這些樣品的離解能，并將結(jié)果與石墨烯上單個(gè)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(jìn)行了比較。

“這項(xiàng)工作的核心是，金屬和共價(jià)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(gè)系統(tǒng)提供了加固。在兩個(gè)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?yàn)樗鼈冎g的鍵不是定向的，而且它們往往會(huì)相互滾動(dòng)，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(gè)原子那么厚，因?yàn)橄噜徳又g有很強(qiáng)的共價(jià)鍵。因此，這個(gè)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(jìn)一步測(cè)試這些薄膜在催化環(huán)境中的行為。研究人員在早期對(duì)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(dú)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(huì)得到同樣的催化活性，這樣你就可以進(jìn)一步保護(hù)鉑，潛在地提高了耐久性。