高熵金属材料：重型汽车燃料电池的新标杆

来自 实验室仪器网

科学家们发现了一种新的催化剂方法，可以显着提高燃料电池汽车的性能和耐用性，尤其是卡车和其他需要额外动力的重型车辆。这项研究发表在《自然通讯》上，标志着氢燃料电池技术在商业车队中可行方面迈出了重要一步，因为商业车队对远程、高功率解决方案的需求最大。

燃料电池是可以从多种燃料中发电的设备。当燃料电池使用氢气和氧气时，唯一的副产品是水。虽然当今的燃料电池在乘用车中运行良好，但人们对使用燃料电池为公共汽车、货运卡车和长途运输车辆等重型车辆高效提供动力的兴趣越来越大。最大的挑战之一是设计出足够坚韧和高效的催化剂，以满足此类重型应用的额外要求。

催化剂是使燃料电池内电极处的化学成分成为可能，这些材料通常由金属制成，将反应化学物质聚集在一起，并降低运行反应所需的能量。但催化剂必须能够在具有挑战性的条件下一遍又一遍地执行此功能，例如高温或恶劣的酸性环境。我们的研究重点是设计一种能够在这些具有挑战性的条件下保持高性能的催化剂。

布鲁克海文领导的团队设计了一种新型氮掺杂催化剂，由五种金属（铂、钴、镍、铁和铜）经过精心调整的混合物制成。这种“高熵金属间化合物”材料因其在有序原子结构中包含多种元素而得名，特别稳定，使其成为在极端环境中使用的有希望的候选材料。

通过在布鲁克海文国家同步加速器光源II（NSLS-II）和凝聚态物理和材料科学系使用X射线和显微镜在原子水平上放大材料，研究人员发现新催化剂的原子结构存在微小的扭曲，部分原因是他们所说的“亚埃应变”。原子位置的这些细微变化（远小于单个原子的宽度）加上金属和氮原子之间的牢固键，使催化剂既具有高活性又异常耐用。

在模拟重型卡车运行的严格测试中，新型催化剂在超过90,000次运行循环（相当于连续运行25,000小时）中保持了出色的性能，产生的电流密度远高于DOE目标。这一成就是美国能源部推进燃料电池技术以使其商业化用于重型车辆和其他应用的计划的一部分。

这些结果显示了构建燃料电池系统的实用途径，该系统可以为未来的卡车和公共汽车提供动力，催化剂不仅满足了即时的市场需求，还为重型运输的广泛采用奠定了基础。

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