华盛顿大学研发超耐用燃料电池催化剂 有望赋能数据中心绿色供电

美国各地数据中心的快速扩张正对国家电力供应造成日益增长的压力。这些设施不仅需要大量电力来运行计算设备，还需要为散热制冷供电。电力研究所预计，到2030年，数据中心可能占美国年发电量的9%，而2023年这一比例为总电力需求的4%。

研究人员正在探索减轻部分负担的方法。由圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院Elvera and William R. Stuckenberg教授Gang Wu领导的研究团队开发出一种新方法，有望改进低温燃料电池，并可能扩大其作为替代电源的应用范围。研究团队还包括来自布鲁克海文国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、东北大学和匹兹堡大学的科学家。他们的研究成果于2026年8月6日发表在《自然·纳米技术》期刊上。

Gang Wu表示：“如果数据中心能够通过燃料电池自行供电，将氢和其他燃料直接转化为电力，就能减轻电网的负担。”

提升燃料电池效率与耐久性

燃料电池通过氢与氧的反应产生电能，同时生成水和热。催化剂有助于加速这一反应，同时减少能量损失，并支持更强的性能和更长的使用寿命。

设计合适的催化剂仍是一大挑战。现有燃料电池催化剂仍难以同时满足活性和耐久性，以实现关键性能目标。

铂被认为是最有效的催化剂材料之一，但它也是一种贵金属。因此，研究人员希望在能量转换和储存过程中，在尽可能减少铂用量的同时，不降低催化剂的效果。

让少量铂发挥更大作用的方法之一是将其制成纳米颗粒。将块状铂分解为极小的颗粒，可大幅增加参与化学反应的表面积，从而使用极少量金属（通常低于每平方厘米四分之一毫克）即可。

问题在于，铂纳米颗粒在燃料电池运行过程中可能发生变化，如溶解、迁移和聚集长大，导致性能逐渐下降。

铂催化剂的长期挑战

近年来，铂金属间化合物催化剂因其更高的活性和稳定性，已成为传统铂合金的有前景替代方案。

然而，其制造过程涉及另一个艰难的权衡。为保持纳米颗粒细小、分布均匀且铂利用率高，研究人员通常需要在700°C以下对材料进行退火处理。但这些温度往往过低，无法充分触发从无序原子排列到高度有序结构的转变，而这对最大化金属间催化剂的活性和耐久性至关重要。

Gang Wu及其同事开发了一种新型碳结构以克服这一限制。该材料由多孔中空碳球构成，内含有序的径向纳米通道，同时具有丰富的孔隙空间和表面积。

这种结构使得大量铂钴金属间纳米颗粒能够保持紧密堆积且均匀分布。同时也使得在更高温度下形成所需的有序金属间结构成为可能，且不会导致纳米颗粒团聚。

通过这种方式，研究人员解决了在实现高度有序原子结构与维持极小催化剂颗粒均匀分布之间的难题。

Gang Wu表示：“我们的策略是利用这种新型碳纳米结构合成铂钴金属间纳米颗粒，从而降低贵金属含量，同时提高活性和稳定性。传统上，尺寸和稳定性之间存在权衡，但在有序碳纳米通道载体中，铂钴纳米颗粒即使在高温下也能被限域在极小的尺寸并保持稳定。”

微型碳通道助力铂更持久

较大的催化剂颗粒可提高稳定性，但往往以牺牲活性为代价。而优先考虑活性的方法则可能牺牲长期稳定性。

Gang Wu的团队通过构建具有径向排列微小通道的纳米结构碳载体，并精心控制孔隙的大小和体积，力求两者兼得。

在测试中，该材料在经过15万次严苛电压循环后仍保留了85%的性能。研究人员估计，这大约相当于2.5万小时的运行时间。其大孔径、精心组织的孔径分布和高表面积的组合，帮助催化剂克服了活性和稳定性之间的常规权衡。

Gang Wu表示：“由于这种特殊的碳纳米结构载体，我们可以将铂钴催化剂加热到1000°C，这个温度足以形成高度有序的结构，同时仍能将纳米颗粒保持在5纳米以下并均匀分布，即使采用工业界偏好的高铂含量也毫无问题。”

将催化剂加热到如此高的温度，使其原子能够形成增强性能所需的有序结构。同时，碳载体将铂钴纳米颗粒保持在5纳米以下，并防止其分布不均。

迈向更优燃料电池电源的潜在路径

碳载体的结构除了稳定纳米颗粒外，还提供了额外优势。其开放的通道有助于离子传输材料在电极中更均匀地分布，同时为质子、氧和水的移动提供更顺畅的路径。

Gang Wu继续说道：“开放通道结构还有助于含离子材料（如离聚物）均匀分散，并使质子、氧和水更容易在电极中移动。因此，负载于该载体上的铂钴纳米颗粒展现出同类最佳的性能和持久的耐用性。最终，通过进一步开发及与行业伙伴的合作，我们将能够解决剩余的催化剂问题，显著推进燃料电池技术的发展，为我们的未来提供更高效、更可持续的电力。”

如果进一步开发取得成功，该技术有望改进用于交通和发电等领域的燃料电池。对于数据中心而言，燃料电池尤其能够提供一种直接从氢或其他燃料发电的方式，从而可能减轻对电网日益增长的需求压力。

Gang Wu已通过华盛顿大学技术管理办公室为该技术申请了专利。

本研究由圣路易斯华盛顿大学资助。合作机构包括布鲁克海文国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、东北大学和匹兹堡大学。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-026-02244-8

（素材来自：圣路易斯华盛顿大学 全球氢能网、新能源网综合）