为了帮助应对气候变化，我们迫切需要过渡到清洁能源。能源部门是温室气体排放的重要贡献者，而温室气体排放是全球变暖的主要驱动因素。

我们大略大学的研究团队正在创新生产清洁电力的方法。燃料电池处于这一努力的最前沿，为追求可持续能源解决方案提供了众多优势。

这些设备通过有效地将化学能转化为电能，仅副产品水和热，为清洁能源提供了一条有前途的途径。这使它们成为环保的发电选择。

最有前途的燃料电池类型之一是聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)，因为它在运输、便携式和固定电源方面的应用，其中效率、响应能力和减少排放是关键因素。

铂作为催化剂

阻碍质子交换膜燃料电池广泛采用的主要挑战之一在于铂的使用，而铂的使用由于其稀缺性而存在问题。这种对铂的依赖是因为它能够促进氧还原反应(ORR)，这是PEMFC内产生电能的基本过程。

ORR涉及通过一系列复杂的反应将氧分子还原成水。这个过程负责产生这些燃料电池提供的电力。铂作为催化剂的存在降低了氧分子还原所需的能量。如果没有铂，ORR就会发生得太慢，无法产生实用且高效的电力生产。

然而，铂的高成本和稀缺性给质子交换膜燃料电池的商业可行性带来了巨大的挑战。铂金价格的上涨使得在大规模燃料电池生产中使用铂金在经济上受到限制，从而阻碍了质子交换膜燃料电池成为主流清洁能源解决方案。

我们的研究致力于创造可以有效替代铂的催化剂。我们的研究团队利用加拿大光源、先进光子源和光子源等尖端设施。

通过利用这些资源和技术，我们探索催化剂开发的各种策略，深入了解其结构和化学特性，并更好地了解它们如何推进我们减少对铂金依赖的目标。

催化剂设计的复杂领域

我们的研究探索催化剂设计，特别关注两种基本技术：将铂与过渡金属合金化以及制作复杂的核壳结构。

铂合金化是将铂与其他过渡金属混合以增强催化性能的过程。这种方法可以提高催化剂的反应活性和耐久性，使其在包括燃料电池在内的广泛应用中发挥高效作用。

除了合金化之外，我们的研究还深入研究复杂核壳结构的开发。在这种方法中，具有成本效益的金属核被多层由另一种材料制成的壳包裹，在提供保护的同时进一步提高催化效率。

这种设计可以精确控制催化反应、优化表面性能并最大限度地减少材料浪费。

持续的挑战

尽管我们取得了进步，但这些催化剂的耐用性提出了挑战。它们固有的不稳定性是指它们退化、有效性降低或发生不良改变的倾向，是现实世界应用的重大障碍。

我们的研究团队找到了一个潜在的解决方案：将钴掺杂剂注入催化剂的表面和近表面区域。这创造了能够承受恶劣条件和时间流逝的铂基催化剂。这显着提高了这些催化剂的耐用性和有效性。

我们的团队开发了新型颗粒——钴掺杂钯铂核壳——它具有独特的八面体结构，对恶劣的化学环境和长期使用具有卓越的适应能力。

这种创新的纳米级结构具有钯核和铂外壳，并在铂壳中添加了钴原子，为这些纳米颗粒提供了卓越的耐用性。它们表现出卓越的耐受降解能力并能长期保持其催化活性。

经过20,000个加速耐久性测试循环的彻底检查(旨在更好地了解催化剂在严格控制的实验室条件下如何降解)，与测试开始时的初始状态相比，其性能仅略有下降2%。

潜在的未来

钴掺杂钯铂核壳纳米颗粒具有彻底改变燃料电池技术的潜力。它们作为高效且持久的ORR催化剂的承诺为更加可持续的能源未来指明了道路。

我们的研究符合应对气候变化这一全球危机的迫切需要。通过用更清洁的能源替代品替代化石燃料，我们可以为更加可持续和更有弹性的未来做出贡献。