铂镍中空结构催化剂示意图
随着经济的快速发展和人们生活水平的提高,绿色环保、高效节能正成为一种衡量社会是否能可持续健康发展的指标。多相催化剂与均相催化剂相比,具有高循环利用率和回收时能量的低消耗,因而在绿色化学、环境修复、生物质的高效转化、可再生新能源开发等领域日益引起人们的广泛研究兴趣。金属纳米催化剂,尤其是那些对反应物和产物具有适中的吸附脱附能力的贵金属,在环境污染治理、燃料电池、精细有机合成等多相催化反应中扮演极其重要的角色。比如,贵金属铂族元素(如Pt、Pd、Rh)是治理汽车尾气污染的三效催化剂中的活性金属成分,它们用于将废气中的CO 和碳氢化合物氧化成二氧化碳、氮氧化物还原成氮气等。但是贵金属在地壳中的丰度非常低,因此储量极其有限。近20年来,如何在减少贵金属用量的同时,保持甚至提高贵金属催化剂的性能以及循环利用效率成为一个研究的焦点。其中,将地壳中丰度较高、价格便宜的过渡金属引入到贵金属中,从而组成双金属纳米催化剂是解决贵金属的部分替代和减量化使用问题的一种可行方案。
由两种不同金属组成的纳米催化剂因拥有优异的催化性能和较为廉价的成本,正成为无机化学、纳米科学、催化化学等多学科领域的交叉研究的一个前沿基础课题。由于双金属具有二组分的共同能带,因此,通过改变合金的组成,能够连续地改变颗粒表面的电子结构和几何构型;通过调节金属的d带位置与Fermi能级之间的距离,能够改变纳米颗粒对反应物和生成物的吸附能力,进而影响催化剂的活性、选择性和稳定性等。
最近，一组来自LBNL美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室、ANL阿贡国家实验室的化学家和材料学家组成的队伍开发出了创新的三维“纳米框架”催化剂，它在催化阳极氧化反应方面的性能超过了常规的铂-碳微粒催化剂，史无前例，甚至大大超过了美国能源部对该技术预计的在2017年可能达到技术水平。
这种双金属催化剂由铂和镍组成，具有中空、高活性、内外表面尺寸大的特点，使得它的效率和成本都大大优于目前的催化剂产品。 也可在碱性水解槽中工作，将水分裂为氧和氢。根据耗电量高低，未来它还可能作为氢气的制备装置。碱性水解槽里面有两个用膜分离开的电极，这两个电极浸没在成分为氢氧化钾的碱性电解液中。研究者对比测试了新型催化剂和传统铂-碳催化剂在其中的性能后发现，新的催化剂的性能提高了一个数量级。
最近几年，全世界的研究主要集中在通过合金，将铂同其他更为廉价的金属结合形成合金，在降低催化剂价格的前提下，保持性能不降低。另一个改进方法是开发中空、笼形、多孔材料，以便在其中加入更少量的贵金属催化剂。领导该项目的来自LBNL实验室的化学家、加州大学伯克利分校教授Peidong Yang说，这种非常规的几何体结构使得定量地改进物理、化学性能变得更加方便。
Pt3Ni框架结构的内外表面均由纳米铂结构组成，它提升了氧化还原反应活性。相比最好的铂-碳催化剂，纳米框架催化剂的质量活力和比活力分别提高了36倍和22倍。新材料目前还没投入实际的燃料电池组进行测试。
Yang说：“相比其他的人工合成中空纳米结构的尝试，我们的做法不需要通电、不需要使用过强的氧化剂，只需在空气中自发进行。铂-镍纳米框架的开放结构满足了先进纳米点催化剂设计中的一些法则，如高面容比、好的三维接近性、更少的贵金属用量等。”
这种新型催化剂大幅减小了铂的用量，下一代的低价格、高性能尾气催化器很有可能从中开发出来。该催化材料的人工合成过程可以比较容易地实现放大，满足以克为单位的实际应用场合。重要的是，该方法可以继续推广到另外的合金纳米框架的合成中，如铂-钴合金、铂-铜合金、铂-铼-镍合金和铂-铅-镍合金。