美国数据中心的快速扩张正对国家的电力供应施加越来越大的压力。这些设施不仅需要大量电力来运行其计算设备，还需要大量电力来保持其冷却。电力研究院估计，到2030年，数据中心可能占美国年度电力生成的9%，而2023年占总电力需求的4%。研究人员目前正在探索减少这些压力的方法。由华盛顿大学麦凯尔维工程学院的Elvera和William R. Stuckenberg教授吴刚领导的团队，开发了一种可能改善低温燃料电池并潜在扩展其作为电力替代来源使用的方法。研究团队还包括来自布鲁克海文国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、东北大学和匹兹堡大学的科学家。其发现于2026年8月6日发表在《自然纳米技术》上。吴说：“如果一个数据中心能够通过使用燃料电池自行供应电力，它将直接将氢和其他燃料转化为电力，从而减轻能源电网的负担。” 使燃料电池更高效耐用 燃料电池通过结合氢和氧来产生电力。该过程还会产生水和热。催化剂有助于加速这一反应，同时限制能量损失，支持更强的性能和更长的使用寿命。设计合适的催化剂仍然是一个主要挑战。现有的燃料电池催化剂在提供所需的活性和耐用性以达成重要性能目标方面仍然困难重重。铂被认为是最有效的催化剂材料之一，但它也是一种贵金属。因此，研究人员希望尽可能少地使用铂，而不降低催化剂在能量转换和存储过程中效果。延长少量铂使用寿命的一种方法是将其转化为纳米颗粒。将块状铂打破成极小的颗粒会显著增加化学反应所需的表面积。这使得使用非常小的金属量成为可能，通常不超过每平方厘米四分之一毫克。问题是铂纳米颗粒在燃料电池操作过程中可能发生变化。它们可能会溶解、移动到不同位置，并增大，导致性能逐渐下降。 一项长期以来的铂催化剂挑战 最近，铂金属间化合物催化剂作为传统铂合金的有前途的替代品出现，因为它们可以提供更好的活性和稳定性。然而，生产它们需要另一种困难的妥协。为了保持纳米颗粒的小、均匀分布和高效使用铂，研究人员通常将材料在700°C以下的温度下退火。这些温度通常太低，无法完全触发从无序原子结构到高度有序原子结构的转变，而这一转变对于最大化金属间化合物催化剂的活性和耐用性至关重要。吴和他的同事们开发了一种新型碳结构，旨在克服这一限制。该材料由多孔的空心碳球组成，包含有序的径向纳米通道，以及大量的孔隙和表面积。该结构使得大量铂钴金属间化合物纳米颗粒能够保持紧密堆积且均匀分布。这也使得能够在更高的温度下形成所需的有序金属间化合物结构，而不会导致纳米颗粒聚集在一起。通过这种方式，研究人员能够解决在实现高度有序原子结构与维持非常小的催化剂颗粒均匀分布之间的困难权衡。 吴说：“我们的策略是使用这种新的碳纳米结构合成铂钴金属间化合物纳米颗粒，可以减少贵金属含量并增强活性和稳定性。传统上，尺寸和稳定性之间会存在权衡，但通过有序的碳纳米通道宿主，铂钴纳米颗粒可以被限制并保持在非常小的颗粒尺寸下稳定，即使在高温下。” 微小的碳通道延长铂的使用寿命 较大的催化剂颗粒可以改善稳定性，但这往往以牺牲活性为代价。优先考虑活性的其他方法可能会牺牲长期稳定性。吴的团队通过创建具有微小通道的纳米结构碳支撑体，试图同时实现两者。研究人员还仔细控制了孔的大小和体积。在测试中，该材料在150,000次严重电压循环后保留了85%的性能。研究人员估计，这相当于大约25,000小时的操作。其结合