由加州大学洛杉矶分校段镶锋（Xiangfeng Duan）教授、黄昱（Yu Huang）教授以及加州理工学院William A. Goddard III教授组成的联合研究团队，研发出表面呈锯齿状的超细铂纳米线催化剂，大大提高了燃料电池催化剂的比表面积和质量比活性。该成果于11月18日在线发表于《科学》杂志（Ultrafine jagged platinum nanowires enable ultrahigh mass activity for the oxygen reduction reaction, Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf9050）。 

　　燃料电池汽车因零排放和高能效而备受关注，却因燃料电池价格高昂而推广受阻，其中一个重要原因在于燃料电池需要昂贵的铂（Pt）作催化剂，因此急需提高Pt的质量比活性（mass activity）。Pt的质量比活性主要取决于面积比活性（SA）和电化学活性比表面积（ECSA）。通过不断的优化，SA已经达到很高了，而ECSA却限制在~70 m²/g_Pt。通过制备具有Pt表面的超细纳米结构或核壳纳米结构等方式改变几何形貌，可以使得更多的Pt原子暴露在表面。

　　图来源：加州大学洛杉矶分校（UCLA） 

　　研究人员采用热退火工艺将溶液合成的Pt/NiO核壳纳米线转化为PtNi合金纳米线，接着再去合金化得到锯齿状Pt纳米线（J-PtNWs）。J-PtNWs的ECSA高达118 m²/g，当用于ORR（氧还原反应）催化时，SA高达11.5 mA/cm²（在0.9 V vs可逆氢电极），质量比活性达到了13.6 A/mg，约是目前已报道最高值的两倍。研究人员还进一步通过分子动力学模拟说明，调节J-PtNWs的富棱形表面可以提高ORR活性。 

　　研究人员表示，锯齿状超细纳米线同时具备了作为高效电化学催化剂的几个特性。首先，其锯齿状的表面缺陷结构与特殊化学环境可有效降低反应的活化能，提供众多高效反应活性位点，极大地提高表面催化活性。另外，它所具备的特殊的一维纳米线结构可以有效降低超细纳米结构团聚几率，从而提供超高的、稳定的比表面积。同时，一维纳米结构优异的导电性及其与催化剂载体的“多点接触”可以优化电化学反应电子输运的过程，提高铂催化剂的利用效率。 

　　这项工作通过设计超细锯齿状纳米线形貌，使得更多的Pt原子暴露在表面，大大提高了ECSA以及质量比活性。同时还通过分子动力学模拟研究内在机理。其优异的性能无疑为燃料电池的推广带来新的希望。 

        （综合 材料牛和科学网报道）