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颗粒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——一种稀缺的贵金属。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，并通过深度学习处理图像，她和她的同事首次成功地揭示了催化剂层的纳米级结构。

“我们离没有铂金的PEMFC还很远，铂金非常昂贵，所以在短期内，我们需要减少铂金的负载，使这项技术能够用于大规模生产。因此，必须了解铂相对于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解释说。

“这就是为什么在三维空间中对这些催化剂进行成像是一项相当大的成就;以前，不同的催化剂层组分之间不可能有正确的对比。

这项工作最近发表在《自然催化》杂志上。

更好的保存;更高分辨率

在使用传统电子显微镜成像的过程中，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催化剂层的大部分形态。然后，他们使用机器学习算法更准确地对图像进行降噪和分类，使他们能够获得比以往更高的图像分辨率。

至关重要的是，科学家们能够揭示催化剂上称为离子聚体的多孔聚合物层的异质厚度。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有效地进行催化反应。因为我们可以在对结构造成有限损伤的情况下对催化剂层进行全面重建，所以我们可以首次显示离聚物覆盖了多少铂以及覆盖的厚度，“Tileli解释说。

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颗粒的催化剂，这些铂颗粒被适量的电离体覆盖，因此性能最佳。

“冷冻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，我认为这种先进技术不仅可用于通过优化铂金使用促进PEMFC的大规模制造，还可用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。