X射線研究揭曉具成本效益的燃料電池材料，有望挑戰鉑金地位

康乃爾大學的研究人員捕捉到了一種頗具潛力的催化劑材料在運作時前所未有的即時轉化景象，這一發現提供了全新的見解，有望促使在清潔能源技術中取代昂貴的貴金屬。

燃料電池能有效地將氫和氧直接轉化為電能，而催化劑在加速這一過程中扮演著至關重要的角色。長期以來，鉑因其高效和耐用性，一直是氧還原反應的首選催化劑，但其高昂的成本限制了它的廣泛應用。

為了尋找更具成本效益的替代方案，由材料科學家安德烈·辛格（Andrej Singer）和化學家赫克託·阿布拉尼亞（Héctor Abruña）共同領導的研究團隊，對一種鈷 - 錳氧化物催化劑展開了研究。在2月7日發表於《自然催化》（Nature Catalysis）的一項研究中，他們利用康乃爾高能同步加速器源的先進X射線技術，觀察了該催化劑的實際運作情況。研究結果揭示了這種催化劑出人意料的結構穩定性，表明它有可能成為鉑的低成本競爭對手。

康乃爾工程學院材料科學與工程學副教授辛格表示：「這些鈷 - 錳氧化物在運作過程中能夠承受驚人的巨大應變，許多其他材料可能會永久性變形或退化。」

這項研究也發現了一個關鍵限制：雖然該材料能夠在小而快速的電壓變化後多次恢復，但長時間暴露在特定條件下會引發不可逆的結構轉變。這一發現，再加上進一步的建模分析，有助於研究人員更精準地確定該材料可能出現退化的關鍵點。

辛格指出：「目前用於電化學表面反應的模型無法解釋我們的原位資料，顯然存在更複雜的機制在起作用。未來的研究可能會釐清這些機制，並為高效能催化劑材料的開發提供參考。」

這項研究匯聚了化學家、物理學家和材料科學家，是康乃爾大學更廣泛合作努力的一部分。它建立在文理學院化學與化學生物學系埃米爾·M·查莫特教授阿布拉尼亞的工作基礎之上。作為鹼效能源解決方案中心主任，阿布拉尼亞一直在探索替代鉑的催化劑。

阿布拉尼亞表示：「這些發現提供了寶貴的見解，我們認為這將有助於這些技術的廣泛應用。這項工作也體現了康乃爾大學合作與協同的研究環境和文化，是研究形成完整閉環的一個典範。」

論文共同作者、現為文理學院化學與化學生物學系助理教授的姚洋（Yao Yang，2021年博士畢業），最初在阿布拉尼亞的研究小組攻讀博士學位時就開始研究鈷 - 錳氧化物。物理系教授託馬斯·阿里亞斯（Tomás Arias）也是該研究的共同作者，這反映了這項工作的跨學科性質。

基於這些發現，研究團隊計劃探索其他雙金屬氧化物體系，並將他們的X射線研究方法應用於更廣泛的電催化材料研究。