怎么看待中国科大合成可实现 3 万次循环高功率放电的新型燃料电池催化剂？ 第1页

该新闻的标题重点又有一点偏，不过相比于我之前评论过的那两次报道，这篇已经写得非常不错了。给这位记者点一个赞。

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实现3万次循环并不是很稀有的，实际上，商业产品（Pt/C）也可以实现3万次循环。所以标题抓错了重点。但是整篇报道的内容质量还是很不错的，估计也是让论文作者把关过的。该论文发表于PNAS上，为Direct Submission，质量还是蛮高的^[1]。下面我来对背景进行一些补充。

什么是燃料电池？为什么要发展燃料电池？

首先我们来说说什么是燃料电池。我们知道，通过燃烧燃料，比如氢气、天然气，我们可以获得热，并随后可以将热转化为电能。但是，这种转化方式却存在着一个瓶颈。由于热力学第二定律的限制（卡诺热机），（室温下）这种方法的理论效率只有40%左右。这样一来，就有不少的能量被白白浪费掉了。而在燃料电池中，氢气和氧气直接在电池内反应并转化为电能，此时理论效率可以达到80%以上！这也是为何要需要发展燃料电池技术。

催化剂的尺寸很重要！

在质子交换膜燃料电池（PEMFCS）中，非常重要的一个部分就是催化剂了——它保障着电池的工作效率。贵金属铂被广泛用于该反应的催化剂。一般反应发生在铂的表面。假如我们有一块比较大的铂立方，有每条边上有1千个铂原子，那么表面铂的比例为0.6%；假如这个铂立方小一些，每条边上只有100个铂原子，那么此时表面铂的比例为6%；而当铂立方小到每条边上只有10个铂原子时，此时表面铂的比例甚至达到了50%！由此可见，每个催化剂粒子越小，那么将会具有更多的表面原子，从而理论上可以实现更高的效率。

前人的工作

另外，由于铂实在是太贵了，科学家们也在尽量尝试用部分其他金属来取代，从而降低成本。之前的科学家们尝试了用铂和其他金属制成了合金的核壳结构进行催化，虽然的确降低了成本，但是他们的合成工艺导致最终的粒子直径大于5纳米，从而导致最终的效率偏低。

中科大的改进

而中科大的团队则巧妙地利用微孔碳（Mesopore Carbon）为模板，制备了核壳结构的纳米粒子——其内核是铂和其他金属的合金，而外壳是铂。但是此时纳米粒子粒径大约只有2.3纳米，而且比较均一；此外它们的核壳结构还给外部的铂引入了额外的应力，从而甚至增强了其催化活性。而这些纳米粒子负载于多孔碳上，也避免了催化过程中聚集而失效。

这种纳米催化剂也是取得了很好的效果。相比于商用的铂碳（Pt/C）催化剂，该纳米催化剂的单位质量活性（MA效率）达到了6倍！此外，在经过30000次循环使用后，商用铂碳催化剂的效率降低到只有最初的1/3，而此时纳米催化剂依然保持了81.5%的效率，所以此时其（MA）效率达到了铂碳催化剂的15倍！另外，这种纳米催化剂也不容易发生催化剂中毒，也是使得其应用范围更广。非常期待未来它能投入使用以发展燃料电池领域。

总结

中科大团队通过在微孔碳（Mesopore Carbon）上直接生成纳米颗粒，将粒径减少到了2.3纳米，并且得到的新的催化剂具有很高的催化效率和持久度。这是该材料的重大创新点。

虽然简单来看，中科大的成果是在前人的基础上，贡献仅仅是将原本的纳米粒子从5纳米以上改进到了2.3纳米。但是我们必须意识到，科学上任何一个小小的进步虽然看起来容易，但是都包含着无数科研工作人员夜以继日的努力工作。正是这一个个小小的进步积累起来，才有了整个世界的巨大前进。总的来说，中科大这个改进还是很不错的了。

参考

1. ^ https://www.pnas.org/content/118/35/e2104026118