行业新闻 | 为什么在氢气安全操作中，铂优于其他金属

来自日本熊本大学（Kumamoto University）和日本国立高等专门学校（National Institute of Technology）的研究人员，与南非西北大学（North-West University，HySA Infrastructure）的同事一起，对氢气安全背后的过程进行了计算机研究。为此，他们使用了一种基于机器学习的现代模拟方法——通用神经网络（universal neural network potential）。它允许以几乎达到量子化学精度的准确性描述金属表面的化学反应，但速度更快，计算成本更低。

氢被认为是最先进的环保燃料之一，但它也有自身的缺点。它是一种易燃燃料，一旦泄漏，会与周围空气形成ink-id="link-1770619078126-0.6227731528861151" style="-webkit-tap-highlight-color: ;padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important;color: var(--weui-LINK);cursor: default">爆炸性混合物。为了防止在氢气使用或储存场所（例如停放燃料电池汽车的车库）发生爆炸，人们使用了专门的设备——被动式自催化复合器（PARs）。它们包含催化剂（通常是昂贵的铂），可确保氢气与环境空气中的氧气发生安全化合反应，生成水。科学家的任务是在原子层面上更好地理解这种反应的机制，并在不影响性能的情况下寻找铂的廉价替代品。

研究人员决定在五种金属的纳米颗粒表面模拟关键反应——氢气和氧气的复合：钯、铂、铜、银和金。他们没有像通常计算中那样研究静态的“冻结”结构，而是使用了通用神经网络驱动的分子动力学（UNNP-MD）。这使得能够在约 500 K（约230°C）的温度和高压下，实时观察气体分子与催化剂表面的相互作用、它们的吸附、运动以及参与化学反应的过程。

模拟识别了金属行为的差异，并有助理解为什么铂仍被视为“黄金标准”。氧分子相当牢固地固定在其表面，但结合得不是特别强，因此它们不会立即解离成原子。同时，从 H₂ 分子中产生的氢原子保持不稳定性（活性），并能迅速与氧发生相互作用。在计算过程中，科学家们成功追踪了铂表面的主要反应路径：O₂ 分子与氢原子结合形成中间体（OOH），然后转化为水（H₂O）。科学家们能够在模拟过程中直接观察到这一过程。

由于性能组合并不理想，其他金属的效果较差。钯表面对氢和氧的捕获过于强烈，因此它们较难发生相互作用。相反，铜在分解氧分子方面过于活跃，并迅速被原子氧覆盖，这抑制了与氢的反应。银和金通常表现出惰性行为，且在其表面几乎无法吸附化学试剂。

因此，研究团队证明，用于氢气安全“燃烧”的高效催化剂需要结合两种特性：对分子氧的牢固保持和氢原子在表面上的高流动性。铂恰好具备这种平衡，这使其成为最高效的材料。同时，了解这种机制有助于创造新材料。例如，为了降低成本，可以开发将少量铂与更实惠的材料相结合的合金，同时保持所需的与化学试剂的相互作用。另一种方法是改性钯，添加惰性元素，使其对氢的固定作用不那么强。（来源：globalenergyprize）翻译：世界铂金投资协会