美國的研究人員最近開發出一種新型催化劑，顯著提高了氫燃料電池的性能和耐用性，這一進展可能使其在重型車輛和商業車隊中變得更為實用。這項研究由位於美國能源部（DOE）下屬的布魯克海文國家實驗室的團隊進行。他們展示了精確的原子工程可以讓催化劑的壽命大幅超過現有的限制。這種新材料在嚴格的測試條件下承受了超過 90,000 次的運行循環，相當於 25,000 小時的連續卡車運行，同時仍超過當前的 DOE 目標。實驗室的化學部研究助理趙學如博士表示，這些結果指向了一條實用的道路，用以開發能夠為未來卡車和巴士提供動力的燃料電池系統。
燃料電池通過結合氫氣和氧氣來產生電力，並且只釋放水作為副產品，這項技術在乘用車中已經可靠運行。然而，對於公共汽車、貨運卡車和長途運輸等重型車輛的應用，興趣日益增長。設計出耐用且高效的催化劑以滿足這些重型應用的需求，卻是最大的挑戰之一。布魯克海文國家實驗室的化學家佐佐木圭太博士指出，催化劑是使燃料電池內部電極發生化學反應的關鍵組件。這些材料通常由金屬製成，能夠將反應化學物質結合在一起，並降低進行反應所需的能量，但催化劑必須能夠在高熱或惡劣酸性環境等挑戰條件下多次執行這一功能。
為了應對這一挑戰，研究團隊研製出一種氮摻雜催化劑，這是一種由精確調整的鉑（Pt）、鈷（Co）、鎳（Ni）、鐵（Fe）和銅（Cu）混合而成的催化劑，能夠持續保持高性能。科學家們隨後保護了這種“高熵金屬間化合物”結構，並用鉑單層外殼包裹。通過 X 射線和顯微鏡技術，他們在原子層面上深入研究了材料，發現新催化劑的原子結構中存在微小的畸變，這些畸變部分是由所謂的“亞安斯特朗應變”引起的。這些超微小的畸變對於催化劑的性能至關重要，因為它們有助於在金屬和氮之間形成強鍵，提高了反應性和韌性。
在重型卡車模擬測試中，這種新催化劑能夠持續超過 90,000 個循環，相當於 25,000 小時的連續使用，並且提供的電流密度遠超 DOE 目標。這項成就涉及布魯克海文化學、物理和納米材料部門的密切合作，並利用了 DOE 科學辦公室的使用設施。趙博士在新聞稿中指出，這是國家實驗室基礎研究對現實世界產生實際影響的明確例子。通過揭示這種催化劑之所以如此有效的原子級機制，這項研究為滿足行業需求的實用技術鋪平了道路。該研究已發表在《自然通訊》期刊上。
