科学家用泥炭催化剂替代铂金，大幅提升燃料电池性能！

一组研究人员已经证明，经过充分分解的泥炭可以作为下一代燃料电池催化剂的可持续且高效的前驱体，并有可能替代昂贵的铂。

这项研究由柏林赫尔姆霍兹中心（HZB）、物理技术联邦研究所（PTB）以及爱沙尼亚塔尔图大学和塔林大学的科学家们共同开展。

他们的目标是为阴离子交换膜燃料电池中的氧还原反应的催化剂创造一种无铂催化剂，而铂仍然是主要的成本因素。铁-氮-碳（Fe-N-C）催化剂可能为目前在燃料电池中使用的铂催化剂提供一种更便宜的替代方案。

为了观察各种铁-氮-碳（Fe-N-C）催化剂样品中复杂微观结构的形成，科学家们利用第三代BESSY II同步辐射源的先进X射线散射技术。

燃料电池效率提升

燃料电池将氢气转化为电力，水是唯一的副产品。尽管这项技术在长期气候中立能源战略中发挥着基础性作用，但铂金仍然是一个巨大的障碍。

这种银白色的贵金属现在是氧还原反应（ORR）的标准催化剂，这是决定燃料电池运行效率的关键步骤。如果用更便宜、丰富的材料替代它，燃料电池的生产成本就能大幅降低。

与此同时，含有铁和氮的碳基催化剂是一个很有前景的选择，可以应用于阴离子交换膜燃料电池。

一些基于碳的材料具有高度的多孔性，互相连接的孔隙像蚂蚁群落一样运作。氢和氧原子通过这些通道移动，以便到达活性催化位点。生成的水也通过相同的方式排出。

塔尔图大学的副教授、这项研究的第一作者鲁莎·耶格尔（Rutha Jäger）博士说：“通过改变催化剂的层次结构以及孔壁的大小和厚度，我们能够制造出特性截然不同的材料。”

泥炭作为催化剂前驱体

HZB的电化学家恩利·哈克（Eneli Härk）透露，团队想弄清楚为什么一些泥炭衍生的样品表现得特别好，而其他样品却相对滞后。为了研究这个问题，他们在BESSY II使用小角度X射线散射（SAXS）和异常SAXS对材料进行了分析。

同步辐射的高精度光束使他们能够量化结构无序、孔隙率、孔曲率和含铁活性中心的分布。Härk表示，这些参数几乎无法用标准方法来捕捉。

科学家们在不同温度下合成了五种催化剂样品。这些温度从1472华氏度到1832华氏度（800摄氏度到1000摄氏度）。他们在生产过程中还使用了各种孔改性剂。

X射线数据揭示了13个影响催化效率的结构因素。团队发现，至少三纳米的孔曲率能更高效地进行氧还原。这也减少了不必要的过氧化氢生成。

“小角散射为我们提供了蚁丘的精确地图，而催化剂的电化学行为则向我们展示了‘蚂蚁’，即分子，如何在其中移动，”Härk说。

研究结果显示，为什么一种源自泥炭的Fe-N-C催化剂的表现与一些顶级非贵金属催化剂不相上下。改善孔结构，而不仅仅是改变成分，对于设计下一代电催化剂至关重要。