美國資料中心的快速擴張正對國家的電力供應造成日益增長的壓力。這些設施不僅需要龐大的電力來運作其運算設備，還需要維持低溫。電力研究機構估計，到 2030 年，資料中心可能佔美國年度總發電量的 9%，相較於 2023 年的總電力需求 4%。

研究人員正積極探索減輕部分壓力的途徑。由華盛頓大學聖路易斯分校麥克維工程學院的 Elvera 和 William R. Stuckenberg 教授 Gang Wu 領導的團隊，開發出一種能改善低溫燃料電池效能，並可能擴大其作為替代電力來源的應用方法。

該研究團隊還包括來自布魯克海文國家實驗室、勞倫斯柏克萊國家實驗室、東北大學和匹茲堡大學的科學家。他們的研究成果已於 2026 年 8 月 6 日發表在《自然奈米技術》期刊上。

「如果資料中心能夠透過燃料電池自行供應電力，就能直接將氫氣及其他燃料轉化為電力，減輕電網的負擔。」Wu 說。

讓燃料電池更有效率且更耐用

燃料電池透過結合氫氣和氧氣來產生電力。此過程也會產生水和熱。催化劑有助於加速此反應，同時限制能量損失，並支持更強的性能和更長的操作壽命。

設計合適的催化劑仍然是一項重大挑戰。現有的燃料電池催化劑在提供達成重要性能目標所需的活性和耐久性組合方面仍面臨困難。

鉑被認為是最有效的催化劑材料之一，但它也是一種貴金屬。因此，研究人員希望盡可能少地使用鉑，同時不降低催化劑在能量轉換和儲存過程中的效率。

一種進一步擴展少量鉑用途的方法是將其製成奈米粒子。將塊狀鉑分解成極小的粒子，可大幅增加用於化學反應的表面積。這使得使用極少量金屬成為可能，通常每平方公分少於四分之一毫克。

問題在於，鉑奈米粒子在燃料電池運行過程中可能會發生變化。它們可能會溶解、移動到不同位置，並變得更大，導致性能逐漸下降。

長期的鉑催化劑挑戰

最近，鉑金屬間化合物催化劑已成為傳統鉑合金的有前景替代品，因為它們能提供更高的活性和穩定性。

然而，生產它們涉及另一項艱難的權衡。為了保持奈米粒子小巧、均勻分佈且有效利用鉑，研究人員通常在低於 700°C 的溫度下對材料進行退火。這些溫度通常太低，無法完全觸發從無序原子排列到高度有序結構的轉變，而這種有序結構對於最大化金屬間化合物催化劑的活性和耐久性至關重要。

Wu 和他的同事開發了一種新的碳結構，旨在克服這一限制。該材料由多孔、中空的碳球組成，其中包含有序的徑向奈米通道，以及大量的孔隙空間和表面積。

這種結構能夠讓大量鉑鈷金屬間化合物奈米粒子保持緊密堆積但均勻分佈。它也使得在更高溫度下形成所需的有序金屬間化合物結構成為可能，而不會導致奈米粒子結塊。

透過這種方式，研究人員能夠解決在實現高度有序原子結構與維持極小催化劑粒子均勻分佈之間的艱難權衡。

「我們的策略是利用這種新型碳奈米結構來合成鉑鈷金屬間化合物奈米粒子，以減少貴金屬含量並提高活性和穩定性。」Wu 說。「傳統上，尺寸和穩定性之間會有權衡，但有了有序的碳奈米通道載體，鉑鈷奈米粒子可以被限制住，即使在高溫下也能保持非常小的粒子尺寸並保持穩定。」

微小的碳通道有助於鉑延長壽命

較大的催化劑粒子可以提高穩定性，但這通常會犧牲活性。其他優先考慮活性的方法可能會犧牲長期穩定性。

Wu 的團隊透過創建具有徑向排列微小通道的奈米結構碳載體，尋求同時實現兩者。研究人員還仔細控制了孔的大小和體積。

在測試中，該材料在 150,000 次嚴苛的電壓循環後仍保留了 85% 的性能。研究人員估計，這相當於約 25,000 小時的操作時間。其較大的孔隙、精心組織的孔徑和高表面積的組合，有助於催化劑克服活性與穩定性之間的常規權衡。

「由於這種特殊的碳奈米結構載體，我們可以將鉑鈷催化劑加熱到 1000°C，這足以形成非常有序的結構，同時仍能將奈米粒子保持在 5 奈米以下且分佈良好，即使在業界偏好的高鉑含量催化劑中也是如此。」Wu 說。

將催化劑加熱到如此高的溫度，使其原子能夠形成更強性能所需的有序結構。同時，碳載體將鉑鈷奈米粒子保持在 5 奈米以下，並防止它們分佈不均。

邁向更好燃料電池電源的潛在途徑

碳載體的結構除了穩定奈米粒子外，還提供額外的好處。其開放的通道有助於傳輸離子的材料更均勻地分佈到電極中。它們也為質子、氧氣和水提供了更容易的移動路徑。

「開放的通道結構也有助於含離子材料（如離子聚合物）均勻分佈，並使質子、氧氣和水更容易通過電極。」Wu 繼續說。「因此，建構在此載體上的鉑鈷奈米粒子展現了同類最佳的性能和持久的耐久性。最終，透過進一步的開發和與業界夥伴的合作，我們將能夠解決剩餘的催化劑問題，並顯著推進燃料電池技術，以更有效率和永續的方式為我們的未來供電。」

如果進一步的開發被證明是成功的，這項技術將有助於改善從交通運輸到發電等各種應用的燃料電池。特別是對於資料中心而言，燃料電池可以提供一種直接從氫氣或其他燃料產生電力的途徑，從而可能減輕電網日益增長的需求壓力。

Wu 已透過華盛頓大學技術管理辦公室為該技術申請了專利。

本研究由華盛頓大學聖路易斯分校資助。合作機構包括布魯克海文國家實驗室、勞倫斯柏克萊國家實驗室、東北大學和匹茲堡大學。