氢燃料电池的进步超过了DOE设定的燃料电池性能和耐用性目标

与内燃机对社会进步的重要性一样，它也是造成损害人类健康的污染和有助于推动气候危机的碳排放的主要因素。美国近30%的碳排放来自交通运输，95%的交通运输使用化石燃料。

一种潜在的补救措施是用氢燃料电池为汽车提供动力，这种电池只排放水蒸气。然而，这种可持续性解决方案有一个具有讽刺意味的、不可持续的内在方面：从氢中获取电力所需的催化剂涉及稀有和昂贵的金属，如铂。就当今技术所使用的数量而言，广泛采用这些金属的数量将超出人类所能获得的数量。

最近由加州大学洛杉矶分校教授领导的自然纳米技术研究可能代表了一个转折点。研究人员报告了一种方法，使他们能够满足并超越能源部设定的高催化剂性能、高稳定性和低铂使用量的雄心勃勃的目标。他们打破纪录的技术使用了铂钴合金的微小晶体，每个晶体都嵌入一个由石墨烯制成的纳米袋中，被描述为一种二维材料，因为它包含一层单原子厚的碳。

与迄今为止未达到的严格的DOE催化剂标准相比，作者的石墨烯包裹合金产生了非凡的结果：

“这是以前从未做过的，”通讯作者、加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院材料科学与工程系教授兼系主任、加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员黄宇说。“这一发现涉及一些偶然性。我们知道我们正在寻找可能使较小粒子稳定的东西，但我们没想到它会这么好。”

今天，全球铂和类似金属总供应量的一半用于以化石燃料为动力的车辆中的催化转化器，这种组件可以降低其排放物的有害性。每辆车需要2到8克铂金。相比之下，目前的氢燃料电池技术每辆车使用约36克。

在黄和她的团队测试的最低铂负载量下，每辆氢动力汽车只需要6.8克铂。

那么研究人员是如何从更少的铂金中获得更多能量的呢?他们将铂基催化剂分解成平均3纳米长的颗粒。一纳米是一米的十亿分之一，纳米粒子非常小，以至于需要30,000多个端到端铺设才能跨越一张纸的厚度。较小的颗粒意味着更大的表面积，而更大的表面积意味着可以发生催化活性的更多空间。

然而，有一个问题阻碍了以前通过使用氢燃料电池催化剂来获得更好性能的尝试。就其本身而言，更小的颗粒也远不那么耐用，因为它们往往会从表面脱落或挤在一起形成更大的颗粒。

Huang和她的同事通过在二维材料石墨烯中保护催化剂颗粒来解决这一限制。与煤或铅笔芯中常见的散装碳相比，如此薄的碳层具有惊人的能力，可以有效地导电和导热，并且在相似厚度下的强度是钢的100倍。

他们的铂钴合金被还原成颗粒。在集成到燃料电池之前，这些颗粒被石墨烯纳米袋包围，石墨烯纳米袋作为一种锚来防止颗粒迁移——这对于商用车辆所需的耐久性水平是必要的。同时，石墨烯在每个催化剂纳米颗粒周围留有约1纳米的微小间隙，这意味着可能发生关键的电化学反应。

“这有点直观，”黄说。“如果你在粒子上盖上一个盖子，让反应继续进行，但将粒子限制在那个地方，它将解决耐久性问题，但在如此小的规模上实现这一点非常具有挑战性。”

这一最新进展是在最近由Huang领导的一项合作研究之后产生的，该研究产生了一个预测铂基合金的催化活性和耐久性的模型，该模型可用于指导催化剂的设计——这是同类研究中的第一个。她和她的团队正在努力将他们的实验结果转化为可以推向市场的实用技术，并有望为绿色能源和可持续发展做出贡献。