氢燃料电池汽车长期以来一直被誉为清洁出行的未来：汽车在提供高效率和高功率密度的同时，只排放水。然而，燃料电池的核心，即铂基催化剂，既昂贵又容易降解。随着时间的推移，催化剂在运行过程中会逐渐劣化，迫使其频繁更换，导致氢燃料电池汽车成本高昂。

图片来源：期刊《自然-通讯》

了解这些催化剂在原子层面上降解的原因和方式是催化研究领域长期以来的挑战。缺乏这方面的知识，设计出真正耐用且价格实惠、可供大规模应用的燃料电池仍然遥不可及。

据外媒报道，目前由韩国科学技术院(KAIST)物理系Yongsoo Yang教授领导的团队，与KAIST材料科学与工程系Eun-Ae Cho教授、斯坦福大学（Stanford University）和劳伦斯伯克利国家实验室（the Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人员合作，成功追踪了燃料电池催化剂内部单个原子在数千次运行循环中的三维变化。该结果为铂镍（PtNi）催化剂的原子级降解机制提供了前所未有的见解，并展示了镓(Ga)掺杂如何显著提高其性能和耐用性。该研究的相关论文发表在期刊《自然-通讯（Nature Communications）》上。

催化剂的新型原子“CT扫描”

为了实现这一突破，研究团队采用了神经网络辅助原子电子断层扫描(AET)技术。就像医院里的CT扫描通过 X 射线图像重建人体内部结构一样，AET技术可以通过从多个不同角度拍摄的高分辨率电子显微镜图像确定纳米材料内部数千个原子的位置。通过将这些重建结果与先进的人工智能数据校正技术相结合，研究人员能够绘制出纳米颗粒催化剂中每个原子的精确三维坐标和化学特性。

这使得他们能够以单原子分辨率直接观察催化剂在燃料电池运行条件下循环数千次时其结构、化学成分和内应变的变化。

镓为何如此重要

研究人员比较了传统的PtNi催化剂和掺杂Ga的PtNi催化剂。结果表明：

形状稳定性：未掺杂的PtNi颗粒逐渐失去其有利的八面体形状，变得更接近球形（即高活性{111}面的比例降低），而Ga掺杂的颗粒即使在12,000次循环后仍保持其八面体形状。

化学稳定性：在PtNi催化剂中，镍原子从表面和亚表面区域析出，导致结构不稳定。在Ga掺杂的催化剂中，表面镍原子基本保留，防止结构坍塌。

应变保持性：PtNi颗粒中的压缩应变（对优化氧还原活性至关重要）会随着时间的推移而显著降低。相比之下，Ga掺杂的颗粒保持了近最优应变。

催化性能：通过综合这些因素，研究人员发现，未掺杂的PtNi催化剂在12,000次循环后氧还原活性损失约17%，而Ga掺杂的PtNi催化剂仅损失约4%，并始终保持优异的活性。

领导这项研究的Yang博士解释了研究结果的意义：“这些结果首次实现了燃料电池催化剂真正的三维原子尺度降解动力学的直接可视化。我们的研究结果不仅揭示了镓掺杂的工作原理，还为合理设计耐用、高效的催化剂建立了一个强有力的框架。”

对氢动力未来的启示

这项研究表明，神经网络辅助的AET技术可以揭示纳米材料在实际运行条件下的演变过程，克服了传统二维成像和整体平均方法的局限性。除了 PtNi 催化剂之外，该技术还可以应用于各种纳米材料和催化体系，有助于以原子精度设计下一代能源材料。

对于氢经济而言，这意味着更耐用的催化剂可以延长燃料电池的寿命，降低更换成本，并加速氢动力汽车和清洁能源技术的广泛应用。