材料发展的最前沿：用氘分析电极催化机制

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摘   要：日本国立材料研究所通过使用氢的同位素氘来减缓氢参与过程的反应速度，并通过用数学公式表示氘的性质对反应速度和产电量的影响，分析复杂的产电机制。

关键字：可持续发展目标、氘、重氢、燃料电池汽车、铂、电极催化剂

材料发展的最前沿：用氘分析电极催化机制

【FCV普及的障碍】

旨在建立可持续发展和更美好世界的“联合国可持续发展目标（SDGs）”备受人们关注，其中，新一代清洁能源技术是一个重要课题。

燃料电池汽车（FCV）利用氧和氢反应生成水的过程中产生的电能作为驱动力，有望减轻环境负荷。但是为了提高燃料电池的效率，每台FCV需要使用30克稀有且昂贵的铂作为电极催化剂，这大概相当于6枚结婚戒指的量，因此巨大的铂用量需求成为FCV普及的一大障碍。

考虑到铂的储量，即使是只将日本国内的汽油车全部替换成FCV都很难。因此，目前世界上许多研究小组都在积极研发不含铂或铂含量低的燃料电池电极催化剂。

【用数学公式表示】

本研究旨在通过详细了解在电极催化剂作用下进行的燃料电池内的复杂反应过程，为铂替代材料的设计做出贡献。

实验中使用了氢的同位素氘（D），又称重氢，顾名思义，其质量较大，是普通氢元素（H）的两倍，因此使用氘可以减缓氢参与过程的反应速度。通过用数学公式表示氘的这种性质对于反应速度和产电量的影响，可以分析复杂的产电机制。

实际上，过去曾多次尝试分析该机制，但最后都没有成功。这次，将氢和氘的性质差异详细而准确地代入数学公式，同时努力保持实验系统的洁净，从而首次成功通过将实验和数学公式准确地结合在一起阐明电极反应。

【推进共同研究】

在该研究中，阐明了作为铂替代材料的碳催化剂的优点和缺点，并且更加详细地了解到电极催化剂的尺寸对活性的影响。《孙子兵法·谋攻篇》中提到：“知己知彼，百战不殆”，因此，要想成功研发出最完美的燃料电池汽车，就必须正确地了解所要使用材料的各种特性。

当前通过最大限度地利用该研究成果，并推进与计算科学和反应分析领域内顶尖研究人员的合作研究，尝试阐明目前未知知识较多的电化学能量转换反应这一课题，同时致力于研发日本制造的新型电极催化剂材料，为下一代能源设备的开发做出贡献。

作者简介

✦坂牛健 日本国立材料研究所（NIMS） 能源与环境材料研究中心 主任研究员 

2010-2013年获得莱布尼茨研究所DAAD奖学金。2013年获得德累斯顿工业大学哲学博士学位，同年获得马克斯•普朗克协会（Max Planck Society）奖学金。2015年进入NIMS。

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翻译：肖永红

审校：李涵、贾陆叶

统稿：李淑珊

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