钯纳米复合材料是由科学家Francis Verpoort教授带领团队研发的一款新材料，在氢气储存、纯化和应用方面都表现出了极高的效能。钯纳米复合材料中的核心物质“钯”既是一种稀有贵金属，也是一种多功能催化剂，可吸附相当于自身体积900倍的氢气，在化学合成和燃料电池技术中具有关键作用。

传统的钯基催化剂成本高昂、供应有限，不足以满足工业生产对钯基催化剂性能和效率的需求，Francis Verpoort教授团队提出将钯纳米颗粒融入复合材料的方案，以实现钯基催化活性的最大化，并降低材料消耗和增强催化剂稳定性。

目前，该钯纳米复合材料技术已成功突破实验室阶段，进入中试生产，并在催化应用、能源储存、环境修复、电子器件、生物医学等多个领域取得了成功应用。

2024年11月在西安举行的2024年铂族金属创新应用百人论坛上也传递出强烈的市场需求信号：“在高科技产业、微电子和绿色能源的驱动下，中国国内市场对铂族金属的需求预计将保持强劲态势，到2035年，中国预计将消耗150-160吨的铂族金属。”作为铂族金属元素之一，钯金及其相关材料都具有广大的应用前景和商业潜力，尤其是在低碳领域和数字化场景。

为此，新材料在线^®对话武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室首席教授Francis Verpoort，了解钯基纳米复合材料的研究进展和在多个领域的应用情况。以下为采访实录：

新材料在线^®：钯金是钯纳米复合材料的核心物质，请Francis Verpoort教授介绍下钯金的特性及其下游应用。

Prof. Francis Verpoort：钯（Pd）是一种稀有的、不可再生的过渡金属，属于铂族金属（PGMs），主要来源包括俄罗斯、南非和北美的矿区，目前全球主要生产企业包括诺尼可公司、斯蒂尔沃特公司、英美铂业公司、英帕拉铂业公司、淡水河谷公司等；

钯具有抗腐蚀性、多功能催化活性、可锻性和延展性、导热性和导电性等特性，在汽车、电子、化工、环境、医疗等多个工业和技术领域中发挥着关键作用，尤其是在氢能经济、纳米技术和可持续化学等新兴领域的应用，预示着又一波创新浪潮的到来。

新材料在线^®：请您介绍一下“钯纳米复合材料”课题的成立背景以及目前的研究进展？

Prof. Francis Verpoort：钯纳米复合材料具有独特的催化、电子和光学特性，是多种工业和技术应用中的重要材料。尽管传统的钯催化剂在催化反应中表现优异，但仍面临高成本和有限供应等挑战。

在此背景下，我们对钯纳米复合材料的研究源于提升钯基催化剂性能和效率的需求。我们将钯纳米颗粒融入复合材料，纳米复合材料通过提供更大的表面积和更快的反应动力学来增强特性，比如最大化催化活性、降低材料消耗并增强催化剂稳定性。这一方法还为传感器、能源存储及环境修复等领域的应用开辟了新的可能性。

近年来，我们的研究主要集中于钯纳米复合材料的合成、表征及其应用，包括催化作用、能源存储、传感器、生物医疗。目前，我们的研究在于优化钯纳米复合材料的合成方法、提升功能特性，并扩大钯纳米复合材料在各个领域的应用范围。

新材料在线^®：“钯纳米复合材料”技术目前处于什么阶段，是在实验室课题研究阶段，还是已经具备中试生产能力？在应用端是否已有成功案例？

Prof. Francis Verpoort：目前进展很不错，钯纳米复合材料技术已从实验室研究逐步发展到中试生产，我们的研究人员开发了活性高且稳定的催化剂，就是将钯纳米颗粒沉积在球形的碳载体上，做成非均相催化剂，适用于活性药物成分（API）生产中的中试规模连续流动填充床反应器。

经过合作验证，证实了钯纳米复合材料已在多个领域得到了有效应用。比如在新能源汽车领域，钯/聚苯胺纳米复合材料可以作为超级电容器电极，用于混合动力和电动汽车的能源存储设备，能够显著提升充放电循环寿命，进而提高设备的耐用性；钯纳米颗粒可以在燃料电池中充当催化剂，广泛应用于零排放车辆和固定式电力系统；此外，钯的高催化效率有助于减少贵金属的使用量，从而有效降低成本。

在环境保护领域，钯纳米颗粒能够高效降解有机污染物，如氯代烃，将其转化为无害物质，另外还能够促进二氧化碳转化为具有高附加值的产品，如环状碳酸酯或碳氢化合物，从而助力可持续化学生产和温室气体减排；而且，钯纳米颗粒可重复使用，在大规模应用中表现出显著的成本效益。

新材料在线^®：据我们了解，钯纳米复合材料能解决氢能与燃料电池方面的问题，请您具体介绍一下钯纳米复合材料在氢能与燃料电池方面的应用？

Prof. Francis Verpoort：我先回答氢能应用，钯纳米复合材料在氢能方面的应用分为三种。

首先是氢气储存。钯纳米复合材料在氢气储存方面表现出极高的效能，这得益于钯能够可逆地吸附和解吸氢气的特性，当钯暴露于氢气时，会形成钯氢化物（PdHx），从而实现安全高效的储存。因此，可以用于氢气加注站、便携储能设备等氢气储存系统，以确保氢气的快速和安全释放，并且在多次储存-释放循环中具有良好的稳定性。

其次是氢气净化。钯能够选择性地让氢原子渗透，同时阻挡一氧化碳、二氧化碳和氮气等其他气体，而纳米结构的设计增强了其渗透性和选择性。因此，钯纳米复合材料适用于膜反应器中生产超纯氢气，当集成到预处理单元时，可以确保只有纯氢气被送入燃料电池系统，高纯度氢气（>99.99%）能够减少燃料电池的衰减。

再者是氢气检测。钯纳米复合材料对氢气具有极高的敏感性，当暴露于氢气时，钯纳米复合材料的电阻或光学特性会发生变化，因此可以用于氢能源系统的安全监控。

最后是在燃料电池方面的应用。钯纳米复合材料在燃料电池中主要是作为经济催化剂使用，在确保高效能量转化的同时保证电池的耐用性。目前主要有两类应用：一是质子交换膜燃料电池（PEMFC），钯纳米复合材料可部分替代铂，从而降低成本，同时保持良好的性能；二是碱性燃料电池（AFC），钯在碱性环境下具有较高的活性，因此特别适用于这些系统。

这两类应用偏向传统的汽车应用，但在新兴领域，钯纳米复合材料还可以用于制作大规模氢气燃料电池，为医院、数据中心及可再生能源电网（固定电力系统）等关键应用提供备用电力。此外，钯纳米复合材料还被集成至便携式燃料电池中，为电子设备、军事装备以及离网能源系统（便携能源设备）提供电力。

新材料在线^®：您对钯纳米复合材料技术的未来发展有哪些畅想，比如技术优化以及应用层面？

Prof. Francis Verpoort：我相信，钯纳米复合材料将在现代材料科学与技术中发挥变革性作用。钯纳米复合材料独特的特性，包括卓越的催化活性、氢选择性和化学稳定性，使它成为各行业创新的关键支撑。

在技术优化方面，钯纳米复合材料的发展需要在合成工艺、性能优化和成本效益方面持续改进。我们需要不断优化纳米结构，如核壳结构、空心球和多孔框架，使材料的比表面积、催化活性和稳定性趋于最大化；我们还需要开发具有可调选择性的纳米复合材料，从而在定制化应用中实现最佳效果。更重要的是，开发成本效益高且环保的合成方法，如绿色化学途径或物理沉积技术，推动钯纳米复合材料的生产规模化，同时开发高效的钯基材料回收系统，降低长期成本并减少对原料钯的依赖，从而提高可持续性。

在应用前景方面，钯纳米复合材料的未来在于将其应用拓展到各个行业，充分发挥其多功能性和创新潜力。

比如能源领域，推进氢气存储系统和膜技术的研发，这是支持全球向氢气作为清洁能源载体转型的关键；推动可再生能源系统的研发，以促进绿色氢气的生产，从而推动能源领域的脱碳。钯纳米复合材料还将广泛应用于二氧化碳转化技术中，以生产有价值的化学品和燃料，为应对气候变化贡献力量。

再如化工行业，钯纳米复合材料正逐渐取代传统催化系统，在可持续化学合成中得到广泛应用，包括氨合成、加氢反应和制药生产等多个领域。此外，钯催化剂在高性能聚合物和塑料的生产中也越来越多地被使用，特别是在医用器械和航空航天部件等特殊应用领域。

总而言之，我们的目标是将钯纳米复合材料确立为全球各行业的标准材料，以推动可持续性、效率和创新。努力应优先支持与全球可持续发展目标相一致的技术，包括碳中和与可持续的循环经济，并在产业界、学术界和政府之间建立合作伙伴关系，促进钯纳米复合材料的规模化应用。此外，促进跨学科研究将揭示量子计算、生物技术和先进制造等新兴领域中的创新应用。