用x射線照射納米粒子的生長？

氫燃料電池是一種很有前途的清潔和可再生能源生產技術，但其陰極材料成本和活性是商業化的一大挑戰。許多燃料電池需要昂貴的鉑基催化劑（能夠啟動和加速化學反應的物質）來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經濟的催化劑，以提供與純鉑相同的效率。像電池一樣，氫燃料電池將儲存的化學能轉化為電能。國家同步加速器光源II (nsss -II)是美國能源部(DOE)布魯克黑文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)科學用戶設施辦公室(Office of Science User Facility)的科學家阿德里安·亨特(Adrian Hunt)說：

博科園-科學科普：找到一種既便宜又有效的氫燃料電池催化劑，基本上是讓這項技術更可行的聖杯。在全球範圍內對燃料電池陰極材料的研究中，阿克倫大學的研究人員開發了一種新催化劑合成方法，這種催化劑由金屬(鉑和鎳)組合而成，形成八面體(八面體)形狀的納米顆粒。雖然科學家已經確認這種催化劑是純鉑最有效的替代品之一，但他們還沒有完全理解為什麼它會以八面體的形式生長。為了更好地了解增長過程，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nsl - ii。阿克倫大學催化實驗室的首席研究員彭振蒙(音譯)說：了解多面催化劑是如何形成的，對於建立其結構-性能相關性和設計更好的催化劑起著關鍵作用。

布魯克海文實驗室的科學家們從左至右分別是Ge Mingyuan、Iradwikanari Waluyo和Adrian Hunt，他們在IOS beamline上研究了氫燃料電池高效催化劑的生長路徑。圖片：Brookhaven National Laboratory

鉑鎳系統的生長過程非常複雜，因此我們與幾個經驗豐富的團隊合作，以應對這些挑戰。布魯克海文國家實驗室的尖端技術對研究這一課題有很大幫助。利用NSLS-II超右翼x射線，結合NSLS-II原位和Operando軟x射線光譜(IOS)波束線的先進性能，研究人員實時揭示了催化劑生長路徑的化學表徵，其研究發現發表在《自然通訊》上。IOS首席科學家、該研究論文的共同通訊作者Iradwikanari Waluyo說：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，來研究納米顆粒中金屬在生長反應過程中的表面組成和化學狀態，在這項技術中將x射線直接照射在樣品上，從而釋放出電子。通過分析這些電子的能量，能夠區分樣品中的化學元素，以及它們的化學和氧化態。

這類似於陽光與我們衣服相互作用的方式。陽光大概是黃色的，但一旦照射到一個人的襯衫上，你就能分辨出襯衫是藍色、紅色還是綠色。科學家們不是通過顏色，而是通過鑒定催化劑表面的化學信息，並將其與內部進行比較。發現在生長反應中，金屬鉑首先形成並成為納米顆粒的核心。然後當反應達到稍高的溫度時，鉑有助於形成金屬鎳，金屬鎳隨後會分離到納米顆粒的表面。在生長的最後階段，這兩種金屬的表面大致相等。鉑和鎳之間的這種有趣的協同作用在納米粒子的八面體形狀和反應活性的發展中發揮了重要作用。這些發現的好處是，鎳是一種便宜的材料，而鉑是昂貴的。所以如果納米顆粒表面的鎳催化了反應，而這些納米顆粒本身仍然比鉑更有活性。

那麼，希望通過更多的研究，能夠計算出需要添加的鉑的最低用量，同時仍然具有高活性，從而創造出一種更划算的催化劑。這些發現依賴於IOS的先進功能，研究人員能夠在高於常規XPS實驗通常可能的氣體壓力下進行實驗。在IOS系統中能夠實時跟蹤納米顆粒的組成和化學狀態在真實生長條件下的變化。

額外的x射線和電子成像研究分別在能源部阿貢國家實驗室(另一個能源部科學用戶設施辦公室)和加州大學歐文分校的高級光子源(APS)完成，補充了nls - ii的工作。這項基本工作突出了分離鎳在形成八面體催化劑中的重要作用，已經對催化劑納米顆粒的形狀控制有了更深入的了解。下一步是研究多面納米顆粒的催化性能，以了解其結構與性能之間的相關性。

博科園-科學科普｜研究/來自：布魯克海文國家實驗室

參考期刊文獻:《Nature Communications》

論文DOI: 10.1038/s41467-018-06900-z

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