美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家发现了一种新的催化剂配方，可以显著提高燃料电池汽车的性能和耐用性，尤其是卡车和其他需要额外动力的重型汽车。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上，标志着氢燃料电池技术在商用车队中的应用迈出了重要一步，商用车队对长距离、高功率解决方案的需求最大。

燃料电池是一种能够利用多种燃料发电的装置。当燃料电池使用氢气和氧气时，唯一的副产品是水。虽然目前的燃料电池在乘用车上表现良好，但人们越来越有兴趣使用燃料电池高效地为公交车、货运卡车和长途运输车辆等重型车辆提供动力。最大的挑战之一是设计出足够坚固高效的催化剂，以满足此类重型应用的额外需求。

“催化剂是使燃料电池内部电极发生化学反应的成分，”布鲁克海文化学家Kotaro Sasaki说道，他与化学部的Xueru Zhao共同领导了这项研究。

这些材料通常由金属制成，它们将反应化学物质聚集在一起，降低反应所需的能量。但催化剂必须能够在高温或强酸性环境等严苛条件下反复发挥这一功能。研究重点是设计一种能够在这些严苛条件下保持高性能的催化剂。

布鲁克海文领导的研究小组设计了一种新型氮掺杂催化剂，由五种金属精心混合而成：铂、钴、镍、铁和铜。这种“高熵金属间化合物”材料因其在有序的原子结构中包含多种元素而得名，它们非常稳定，使其成为极端环境下应用的有希望的候选材料。

通过在布鲁克海文国家同步加速器光源II(NSLS-II）和凝聚态物理与材料科学系使用X射线和显微镜在原子水平上放大材料，研究人员发现，新催化剂的原子结构存在微小的扭曲，部分原因是他们所说的“亚埃应变”。

这些原子位置的细微变化加上金属和氮原子之间的强键，使得催化剂既具有高活性又具有异常的耐用性。

创纪录的表现

在模拟重型卡车运行的严格测试中，新型催化剂在超过9万次运行循环（相当于连续运行2.5万小时）中保持了优异的性能，产生的电流密度远高于美国能源部（DOE）的目标。这项成就是美国能源部推进燃料电池技术发展计划的一部分，旨在推动其在重型车辆和其他应用领域的商业化应用。

Xueru Zhao教授表示：“这些成果为构建未来卡车和公交车所需的燃料电池系统提供了一条切实可行的途径。我们的催化剂不仅满足了当前的市场需求，也为其在重型运输领域的广泛应用奠定了基础。”

这项工作得益于布鲁克海文实验室多个研究小组的密切合作。化学部表面电化学和电催化小组的科学家贡献了合成和电化学方面的专业知识，凝聚态物理和材料科学系以及功能纳米材料中心的团队也贡献了专业知识。

CFN开展了先进的材料表征。作为世界上最先进的光源之一，NSLS-II的研究人员利用快速X射线吸收和散射（QAS）以及原位和原位软X射线光谱（IOS）光束线，对新型催化剂的结构提供了关键见解。

Xueru Zhao教授说，“这是一个清晰的例子，表明国家实验室的基础研究能够对现实世界产生影响。通过揭示这种催化剂有效的原子级机制，我们正在为满足行业需求的实用技术打开大门。”