正在开发用于电动汽车的质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 依靠称为催化剂的纳米粒子来触发氢气和氧气之间的发电反应。大多数 PEMFC 催化剂都含有铂——一种稀有的贵金属。因此，全球迫切需要开发能够产生最大功率同时最大限度地减少铂含量的催化剂。

制造商将这些催化剂集成到称为催化剂层的复杂组件中。到目前为止，他们不得不在没有生成结构的详细图片的情况下这样做，因为传统的成像过程几乎总是会造成一定程度的损坏。工程学院电子原位纳米材料表征实验室负责人 Vasiliki Tileli找到了解决这一挑战的方法。通过使用低温透射电子断层扫描在低于冰点的温度下对催化剂及其环境进行成像并使用深度学习处理图像，她和她的同事们首次成功地揭示了催化剂层的纳米级结构。

“我们距离不含铂金的 PEMFC 还很遥远，因为铂金非常昂贵，因此在短期内，我们需要减少铂金的用量，使这项技术能够用于大规模生产。因此，必须了解铂与催化剂层内其他材料的关系，以增加发生化学反应所需的表面积接触，”Tileli 解释道。

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“这就是为什么从三个维度对这些催化剂进行成像是一项了不起的成就;以前，不可能在不同的催化剂层成分之间形成正确的对比。” 这项工作最近发表在《自然催化》杂志上。

更好的保存;更高的分辨率

在使用传统电子显微镜成像期间，脆弱的催化剂层样品经常被电子束损坏，导致材料收缩或变形。通过在低温下进行原位成像，Tileli 和她的团队能够保留大部分催化剂层的形态。然后，他们使用机器学习算法对图像进行更准确的去噪和分类，从而获得比以往更高的图像分辨率。

至关重要的是，科学家们能够揭示称为离聚物的催化剂上多孔聚合物层的不均匀厚度。离聚物厚度强烈影响铂催化剂的性能。

“离聚物必须具有一定的厚度才能使催化反应有效发生。因为我们可以在对结构造成有限损坏的情况下对催化剂层进行全面重建，所以我们可以首次展示有多少铂被离聚物覆盖以及覆盖的厚度，”Tileli 解释道。

这些信息对于催化剂制造商来说可能是一座金矿，他们可以用它来生产含有更多铂金颗粒的催化剂，这些铂金颗粒被适量的离聚物覆盖——因此性能最佳。

“低温方面是这项研究的关键组成部分。离聚物就像蛋白质：它们很软，需要冷冻条件来稳定和保护它们的结构，”Tileli 说。

“因此，我认为这项先进技术不仅有助于通过优化铂金的使用来促进 PEMFC 的大规模制造，而且还有助于许多不同的材料科学和能源应用——例如，电池存储、水电解和一般的能量转换系统”