该技术使用基于溶液的方法来生产原子级铂层，以产生中空的多孔结构，其可在纳米笼的内部和外部产生催化活性。这些层在钯纳米晶体模板上生长，然后蚀刻掉钯以留下直径约20纳米的纳米笼，具有三至六个原子薄的铂层。

在燃料电池电极中使用这些纳米笼结构可以将铂的利用效率提高七倍，可能改变燃料电池的经济可行性。

佐治亚理工学院和埃默里大学的WallaceH.Coulter生物医学工程系教授YounanXia说：“我们可以通过仅使用之前需要的一小部分铂来获得我们所需的催化活性。”夏先生还在佐治亚理工学院化学与生物化学学院和化学与生物分子工程学院担任联合教职。“我们制造了中空的铂金纳米笼，其壁厚如同几个原子层一样薄，因为我们不想浪费任何不会产生催化活性的物质。”

这项研究-包括威斯康星大学麦迪逊分校，橡树岭国家实验室，亚利桑那州立大学和中国厦门大学的研究人员-计划于7月24日出版的“科学”杂志上发表。

铂金作为各种工业和消费应用的催化剂需求量很大。沉积在电极上的催化剂所需的高成本铂限制了在汽车和家庭应用中使用低温燃料电池的能力。

在催化应用中，只有铂的表面层有助于化学反应，导致研究人员开发出新的结构，旨在最大化暴露于反应物的铂量。掏空工艺减少了对反应没有贡献的贵金属的量，并且允许使用不易烧结的较大纳米晶体，这是一种减少催化剂表面积的聚集现象。

“我们可以很好地控制这个过程，我们可以逐层沉积，形成一层，两层或三层铂金，”夏也说，他也是乔治亚研究联盟的杰出学者。“我们还可以控制原子在表面上的排列，因此可以设计它们的催化活性以适应不同类型的反应。”

他补充说，之前已经制造出中空的铂金结构，但不是这种薄壁。早期的工作产生了壁厚约为5纳米的壳。新工艺可以生产厚度小于1纳米的壳壁。由于多孔纳米笼的内层和外层都有助于催化活性，新结构可以在超薄三层壳中使用高达三分之二的铂原子。一些钯仍然与结构中的铂混合。

“这种方法可以从给定量的铂中获得尽可能高的表面积，”夏说。

取决于用作模板的钯纳米晶体，纳米笼可以制成立方体或八面体形状。形状控制表面结构，从而设计催化活性。

该研究的目的是降低用于为汽车和家庭供电的燃料电池中阴极的成本。燃料电池的氧还原反应发生在阴极，这需要大量的铂。通过将铂的量减少多达七倍，空心壳可以使汽车和家用燃料电池在经济上更可行。

研究人员测量了铂纳米笼对氧还原反应的耐久性，发现在10,000次操作循环后，催化活性下降了略多于三分之一。早期的最大化表面积的努力依赖于制造直径仅为2或3纳米的非常小的铂纳米颗粒。这种尺寸的颗粒倾向于在称为烧结的过程中聚集在一起，从而减小了表面积。

“通过使用中空结构，我们可以使用更大的粒径-大约20纳米-我们真的不会丢失任何表面区域，因为我们可以使用结构的内部和外部，而外壳只是少数原子层厚，“夏补充说。“我们希望这些大颗粒的耐久性要好得多。”

其他应用，例如汽车中的催化转化器，也使用大量的铂。新的空心壳不太可能用于汽车催化转换器，因为它们的工作温度超出了结构所能承受的温度。然而，铂纳米笼可用于其他工业过程，例如氢化。

为佐治亚理工学院的实验工作做贡献，亚利桑那州立大学和橡树岭国家实验室的研究人员使用他们的专业显微镜设备来绘制纳米笼结构。威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员对该系统进行了模拟，以帮助理解从核心蚀刻钯，同时保留铂金外壳。

夏指出，研究人员已经探索了铂的替代品，但到目前为止，没有一种替代品可以提供相当数量的催化活性。

“如果你拿走了我们今天所有的铂金并制成了一个立方体，那么每边只有7米，”他补充道。“这就是我们现在拥有的所有白金，所以我们需要找到最有效的方式来使用它。