催化剂新方向？铂-石墨烯显示出比块状铂更优异的稳定性

佐治亚理工学院研究人员最近发表的一项研究表明，仅两个原子厚的石墨烯负载的铂薄膜可以使燃料电池催化剂具有前所未有的催化活性和寿命。

铂是燃料电池最常用的催化剂之一，因为它能有效地实现氧化还原反应。但是其高昂的成本刺激了研究人员的努力，寻找出在保持相同催化活性的情况下使用少量的方法。

佐治亚理工学院材料科学与工程学院副教授Faisal Alamgir说：“用铂催化剂生产燃料电池总是会有最初的成本，而且保持成本尽可能低很重要。但是，燃料电池系统的实际成本是由该系统能持续多久来计算的，这是耐久性的问题。”

Alamgir说：“最近，人们一直在追求使用不含铂的催化系统，但问题是到目前为止，还没有提出一种能同时兼具催化活性和铂的耐久性的催化系统。”

佐治亚理工学院的研究人员尝试了另一种策略。他们研究了如何创建由一层石墨烯承载的几个原子厚的铂薄膜，以将可用于催化反应的铂表面积最大化。

大多数基于铂的催化系统使用化学键合到载体表面的金属纳米颗粒，其中颗粒的表面原子承担大部分催化工作，并且表面下方原子的催化势从未像表面原子那样得到充分利用。

此外，研究人员表明，至少两个原子厚的新铂膜在离解能方面要优于纳米颗粒铂，这是衡量去除表面铂原子的能量成本的量度。该测量表明，这些膜可能会形成可能更长寿的催化体系。

为了制备原子薄的薄膜，研究人员使用了一种称为电化学原子层沉积的方法，在石墨烯层上生长铂单层，从而创建了具有一个，两个或三个原子原子层的样品。然后，研究人员测试了样品的解离能，并将结果与石墨烯上铂的单个原子的能量以及用于催化剂的铂纳米颗粒的常见构型的能量进行了比较。

“这项工作的核心基本问题是，金属键和共价键的结合是否可能使铂-石墨烯结合物中的铂原子比由催化剂负载的催化剂中通常使用的本体铂中的铂原子更稳定。”材料科学与工程学院副教授Seung Soon Jang说道。

研究人员发现，薄膜中相邻铂原子之间的键基本上将力与薄膜和石墨烯层之间的键结合在一起，从而在整个系统中提供增强作用，在两个原子厚的铂膜中尤其如此。

阿拉姆吉尔说：“通常，低于一定厚度的金属膜是不稳定的，因为它们之间的结合不是定向的，它们往往会相互滚动并聚集成团以形成颗粒。”“但是对于石墨烯而言，情况并非如此，石墨烯以二维形式稳定，甚至一个原子厚，因为它在相邻原子之间具有非常强的共价方向键。因此，这种新的催化体系可以利用石墨烯的方向键与支持原子薄的铂膜。”

未来的研究将涉及进一步测试薄膜在催化环境中的行为。研究人员在对石墨烯-铂膜的较早研究中发现，该材料在催化反应中的行为类似，而不论石墨烯或铂的哪一侧是暴露的活性表面。

阿拉姆吉尔说：“在这种配置下，石墨烯不像铂那样起独立的作用。”“他们作为一个整体一起工作。因此，我们认为，如果暴露石墨烯面，则具有相同的催化活性，并且可以进一步保护铂，从而可能进一步提高耐用性。”

文章来源氢云链，本文观点不代表利特纳米

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