與內燃機對社會進步的重要性一樣，它也是造成損害人類健康的污染和有助于推動氣候危機的碳排放的主要因素。美國近30%的碳排放來自交通運輸，95%的交通運輸使用化石燃料。

一種潛在的補救措施是用氫燃料電池為汽車提供動力，這種電池只排放水蒸氣。然而，這種可持續(xù)性解決方案有一個具有諷刺意味的、不可持續(xù)的內在方面：從氫中獲取電力所需的催化劑涉及稀有和昂貴的金屬，如鉑。就當今技術所使用的數(shù)量而言，廣泛采用這些金屬的數(shù)量將超出人類所能獲得的數(shù)量。

最近由加州大學洛杉磯分校教授領導的自然納米技術研究可能代表了一個轉折點。研究人員報告了一種方法，使他們能夠滿足并超越能源部設定的高催化劑性能、高穩(wěn)定性和低鉑使用量的雄心勃勃的目標。他們打破紀錄的技術使用了鉑鈷合金的微小晶體，每個晶體都嵌入一個由石墨烯制成的納米袋中，被描述為一種二維材料，因為它包含一層單原子厚的碳。

與迄今為止未達到的嚴格的DOE催化劑標準相比，作者的石墨烯包裹合金產(chǎn)生了非凡的結果：

“這是以前從未做過的，”通訊作者、加州大學洛杉磯分校薩繆利工程學院材料科學與工程系教授兼系主任、加州大學洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究所成員黃宇說。“這一發(fā)現(xiàn)涉及一些偶然性。我們知道我們正在尋找可能使較小粒子穩(wěn)定的東西，但我們沒想到它會這么好。”

今天，全球鉑和類似金屬總供應量的一半用于以化石燃料為動力的車輛中的催化轉化器，這種組件可以降低其排放物的有害性。每輛車需要2到8克鉑金。相比之下，目前的氫燃料電池技術每輛車使用約36克。

在黃和她的團隊測試的最低鉑負載量下，每輛氫動力汽車只需要6.8克鉑。

那么研究人員是如何從更少的鉑金中獲得更多能量的呢?他們將鉑基催化劑分解成平均3納米長的顆粒。一納米是一米的十億分之一，納米粒子非常小，以至于需要30,000多個端到端鋪設才能跨越一張紙的厚度。較小的顆粒意味著更大的表面積，而更大的表面積意味著可以發(fā)生催化活性的更多空間。

然而，有一個問題阻礙了以前通過使用氫燃料電池催化劑來獲得更好性能的嘗試。就其本身而言，更小的顆粒也遠不那么耐用，因為它們往往會從表面脫落或擠在一起形成更大的顆粒。

Huang和她的同事通過在二維材料石墨烯中保護催化劑顆粒來解決這一限制。與煤或鉛筆芯中常見的散裝碳相比，如此薄的碳層具有驚人的能力，可以有效地導電和導熱，并且在相似厚度下的強度是鋼的100倍。

他們的鉑鈷合金被還原成顆粒。在集成到燃料電池之前，這些顆粒被石墨烯納米袋包圍，石墨烯納米袋作為一種錨來防止顆粒遷移——這對于商用車輛所需的耐久性水平是必要的。同時，石墨烯在每個催化劑納米顆粒周圍留有約1納米的微小間隙，這意味著可能發(fā)生關鍵的電化學反應。

“這有點直觀，”黃說。“如果你在粒子上蓋上一個蓋子，讓反應繼續(xù)進行，但將粒子限制在那個地方，它將解決耐久性問題，但在如此小的規(guī)模上實現(xiàn)這一點非常具有挑戰(zhàn)性。”

這一最新進展是在最近由Huang領導的一項合作研究之后產(chǎn)生的，該研究產(chǎn)生了一個預測鉑基合金的催化活性和耐久性的模型，該模型可用于指導催化劑的設計——這是同類研究中的第一個。她和她的團隊正在努力將他們的實驗結果轉化為可以推向市場的實用技術，并有望為綠色能源和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。