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氢燃料电池是未来能源脱碳的重要方向，而制备电池所需的铂基催化剂存在活性低、用量大、成本高等问题，导致氢燃料电池“不普及”。
在10月22日发表在Science上的一项研究中，中国科学技术大学梁海伟教授团队和北京航空航天大学水江澜教授团队成功研制出一种高温“硫固体胶”合成方法。成功研发出一系列高性能铂基氢燃料电池催化剂，对于降低氢燃料电池成本、促进其规模化产业化具有重要意义。
“长大”的烦恼
催化剂是燃料电池的核心材料之一，占燃料电池电堆成本的40%以上，2020年9月，财政部、工信部等五部门联合印发《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，明确指出要重点支持在催化剂等关键材料和零部件的研发。
氢燃料电池凭借高效、清洁、无碳等优势，逐渐成为燃料电池行业的“网红”。不过，目前打造“网红”的成本还是太高了，尤其是铂基催化剂的使用。
铂族金属是贵金属中的贵族，它们具有熔点高、强度高、电热性能稳定、催化活性好等优点，广泛应用于氢燃料电池等领域，但铂族金属资源在全球高度集中，80%以上位于南非。
然而，氢燃料电池阴极需要使用大量的铂基催化剂来催化氧还原反应。铂资源的缺乏和高昂的成本严重制约了燃料电池的大规模产业化。
梁海伟表示，目前市场上最常用的催化剂主要是铂碳催化剂和铂合金催化剂，但由于其活性低，铂的用量比较大。
他认为，减少铂用量是氢燃料电池发展必须解决的问题，而提高铂基催化剂的活性是一条有效途径。“与普通固溶体合金相比，金属间铂合金在活性和稳定性方面更具优势。”
然而，金属间铂合金的合成必须经历高温，高温会使铂合金纳米颗粒在碳载体上流动并结块“长大”。纳米颗粒一旦“长大”，就会失去优势，催化剂活性会严重下降。
为了打破这种“死循环”，防止颗粒“生长”，研究团队提出了一个想法：颗粒可以像胶水一样固定在碳材料上吗？
为此，他们采用了一种新颖的硫限域方法，即“硫固体胶”合成法。这种方法利用硫原子和铂原子之间的强相互作用，使铂基合金纳米颗粒在高温下像固体胶一样“粘”在碳载体上，防止它们“生长”。
最后，研究人员在保持颗粒尺寸小于5纳米的情况下完成了双金属原子的有序化过程，合成了一系列小尺寸的铂金属间合金，并建立了拥有46种合金催化剂的“材料库”。
事实上，梁海伟在德国做博士后研究期间，就开展了小分子合成不同碳材料的研究。回国后，他带领团队制备了一类高硫含量的多孔碳材料。
他告诉记者，世界上不乏团队进行硫掺杂碳载体合成的研究，但将其应用于铂金属间合金的合成还是第一次。在梁海伟看来，这得益于跨学科的优势。“只做金属间合金合成，很难想到使用硫限域的方法；而只做硫限域研究，自然也想不到应用于金属间合金合成。”
传统理论错了吗？
研究人员基于构建的46个“家族”催化剂，对大量催化剂的性能进行了测试和筛选。他们发现铂合金的催化活性与其表面应力之间存在很强的相关性：在较宽的压缩应变范围内，其氧还原活性随着压缩应变的增加呈单调上升趋势。
有趣的是，这种现象与经典理论预测的火山关系趋势相反。
“按照之前的理论预测，应变过小或过大都不好，适度就好。换句话说，应变和活性是一种火山曲线关系。显然，我们的实验结果并非如此。”梁海伟说道。
这让研究人员产生了很多疑问，理论预测错了吗？或者测试的应变不是真正的应变？
梁海伟认为，目前的研究还不足以证明孰是孰非。“但在科学中，如果没有大量的合成和性能测试，你就看不到这种构效关系。”他说，“这至少提供了一个新的指导方针，如果应变能进一步增加，可以继续增强催化剂活性，有望进一步推动催化性能达到顶峰。”
事实上，这种新型构效关系的发现，对于团队来说，是最“意外”、最激动人心的收获。
2016年梁海伟回国后，开始带领团队开展这项研究。很快，他们开发了铂基合金催化剂的46个“家族”，并于2018年首次投稿。
提交并不顺利，其中一位审稿人认为合成催化剂与催化剂性能的相关性不强，研究不够科学。
为此，研究团队花了一年多时间补充数据，对大量催化剂的性能进行了测试和筛选。在分析数据时，他们发现了这个违反传统理论的有趣现象。随后，他们重新调整了论文的内容。
审稿人认为，“本研究中显示的小于5纳米的金属间化合物纳米颗粒的尺寸对于催化应用非常重要。作者向我们展示了一系列二元和多元铂基金属间化合物的尺寸控制合成，令人印象深刻。”
“大约5纳米可以说是一个临界点，颗粒尺寸越大，表面原子所占的比例越低，这会造成大量铂原子的浪费。”梁海伟解释说，修改前后的论文风格完全不同，他也发现了一个更科学的现象。“坦率地说，我们很感谢审稿人的意见。”
对于这一与经典理论预测相悖的现象，他表示将进一步探究其背后的原因。
有望降低成本
据国际氢能委员会测算，到2050年，氢能将覆盖全球能源终端需求的18%，创造超过2.5万亿美元的市场价值。
“我们从合成的46种催化剂‘家族’中选择了几种高活性催化剂，使低铂氢燃料电池的性能达到了目前世界先进水平。”水江澜说道。
他告诉记者，合成的铂镍合金催化剂的活性是目前商用铂碳催化剂活性的5倍以上；为实现可比的氢燃料电池性能而合成的合金催化剂中铂的含量仅为商业铂碳催化剂中铂含量的 1/10。
不过，梁海伟也指出，目前氢燃料电池催化剂的研究在国外技术上仍处于领先地位。“这项研究具有一定的科学价值，但距离产业化还有一定的距离。”
他表示，一方面要解决量产问题，降低催化剂的制备成本；另一方面，需要实现碳载体的改性，以提高局部氧气和质子传输阻抗。“前者难度不大，后者还是很大的挑战。”梁海伟说道。
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