X射线实时揭示铂在氢能设备中的氧化过程

原文作者：Thomas Zoufal，德国电子同步辐射研究所（DESY）

电解槽负责生产氢气，燃料电池则将氢气转化为电能。这两项技术被视为能源转型的关键支柱，在可再生能源的储存、运输和生产方面已有成熟应用。然而，问题也随之而来：这些系统中常用的铂催化剂在高负荷运行下会逐渐失效，也就是说"老化"太快，推高了氢能技术的成本。

DESY参与的一项研究首次实时观察到铂表面在施加电压后氧化层的形成过程。这一发现有望推动更耐用的氢能技术发展。相关成果已发表于《自然·通讯》。

铂是电解槽和燃料电池中最重要的材料之一。这种贵金属充当催化剂，能加速生产或利用氢气所需的化学反应。但在高电压下，铂的表面会发生变化，催化活性随之下降。

国际研究团队借助DESY的PETRA III同步辐射光源，采用高分辨率X射线方法，在原子尺度上观测了这一变化过程。结果表明，铂表面在电压作用下会逐渐形成薄氧化层，并引起材料内部结构的改变。

"这是稳定性与活性之间的平衡博弈。"DESY首席科学家、汉堡大学教授Andreas Stierle说，"氧化在一定程度上保护了铂表面，减少了材料进一步流失；但与此同时，也使催化剂的效率降低。深入理解这些过程，对于开发更耐用的电解槽和燃料电池材料至关重要。"

研究还发现，氧化过程是逐层推进的，在高电压下会形成无序的铂氧化层。实验中，团队首次将三种互补的X射线方法结合使用，在真实工况下同步分析铂表面的原子结构、氧化层厚度及化学组成。

"关键突破在于将最先进的同步辐射技术与基础电化学中的成熟方法相结合。"第一作者Leon Jacobse说，他在DESY的X射线与纳米科学中心（CXNS）完成了这项工作，"这让我们能在反应实际发生的同时，追踪原子尺度上的变化。"

Stierle团队的Vedran Vonk补充道："这套新方法让我们能在真实工况下实时追踪催化剂的结构变化，从而直接将材料性能与老化过程联系起来。"

只有理解铂原子层面发生的微观过程，研究人员才能制定应对老化的新策略。Vonk还指出："这也为其他电化学过程打开了新的研究窗口，包括存在类似老化现象的电池技术。"

下一步，团队将研究更接近实际应用的催化剂材料——例如铂纳米颗粒——在运行条件下的变化行为。从长远来看，这些发现有望帮助开发出更节约资源、更经济实惠的电解槽材料，推动氢能技术走向更高效、更具竞争力的未来。

本研究由DESY的X射线与纳米科学中心（CXNS）、汉堡大学、埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学以及吉森尤斯图斯-李比希大学的研究人员共同完成。

信息来源：Leon Jacobse et al，《析氧反应条件下铂氧化物的形成》，《自然·通讯》（2026）。DOI: 10.1038/s41467-026-72954-z