由于在氫氧化（hydrogen oxidation）和氧還原（oxygen reduction）反應中的催化性，鉑基催化劑被廣泛地應用于質(zhì)子交換膜燃料電池當中的關鍵組成部分，比如陰和陽。然而，當質(zhì)子交換膜燃料電池在較為嚴苛的環(huán)境下（比如低pH環(huán)境(＜1)、*的氧濃度、高濕度等）運行時，商用的鉑/碳催化劑會展現(xiàn)出耐用性低的問題。由于Ostwald熟化效應、鉑納米顆粒的脫離、鉑納米顆粒的團聚等問題，鉑/碳催化劑的活性會顯著下降。因此，開發(fā)有效方案來穩(wěn)固鉑基催化劑從而防止其活性在燃料電池運行時的損耗，是非常重要的。

      針對上述問題，加拿大西安大略大學的孫學良教授課題組，開創(chuàng)性地用退火MLD（Molecular Layer Deposition，MLD，分子層沉積）夾層結構來固定鉑納米顆粒，從而實現(xiàn)了鉑基催化劑性能的提升，相關結果刊載于Nano Energy。在孫教授團隊的工作中，MLD衍生層是通過*基鋁和丙三醇合成在摻氮碳納米管（nitrogen-doped carbon nanotubes，NCNT）上的，此后通過煅燒獲得多孔結構。后，通過ALD工藝，鉑納米顆粒被沉積在MLD-NCNT載體之上。多孔結構有益于穩(wěn)固鉑納米顆粒、避免團聚以及從載體上脫離。相較于沉積在摻氮碳納米管（NCNT）上的鉑催化劑來說，沉積在MLD-NCNT載體上的Pt催化劑展示出了顯著提升的氧化還原反應活性以及耐用性。文中用X射線吸收光譜等手段，詳細揭示了增強的機制。

圖1 NCNT-MLD-Pt的制備流程示意圖以及出色性（圖片來源：Nano Energy:Rational design of porous structures via molecular layer deposition as an effective stabilizer for enhancing Pt ORR performance）

      相較于ALD（Atomic layer deposition，ALD，原子層沉積）來說，MLD技術還比較新。MLD技術可以視為ALD技術的亞類，具有與ALD相似的氣相沉積工藝，基于序列及自限制反應，在分子尺度上生長材料，目前比較多涉及的是有機聚合物或者無機-有機雜化材料。由于本質(zhì)上屬于ALD技術的衍生技術，因此MLD技術具備了ALD技術的主要點：異的三維共形性、大面積均勻性、良好的工藝重復性、膜厚或組成的控制、分子結構或官能團的裁剪，以及較低的沉積工藝溫度。然而，由于MLD工藝中采用有機分子作為前驅(qū)體，有機分子前驅(qū)體的蒸汽壓低、熱穩(wěn)定性差，因而反應活性較低。此外，MLD工藝中的有機分子前驅(qū)體存在同質(zhì)官能團引起的雙反應現(xiàn)象，會使得沉積速率變慢，甚至是發(fā)生非線性的反應生長速率。所以，用MLD工藝沉積新材料，對于設備和工藝掌控都提出了較高的要求。

      在本文當中，孫教授團隊用MLD沉積鋁氧烷所用的設備是美國Arradiance公司生產(chǎn)的型號為Gemstar-8 的臺式ALD沉積系統(tǒng)，此套系統(tǒng)直接與手套箱相聯(lián)，手套箱中為氬氣氣氛。在本工作之前，孫教授所在課題組已經(jīng)用MLD技術合成了鋁氧烷，并且將鋁氧烷涂層應用于提高碳/硫陰或堿金屬陽的電化學性。制備當中，他們采用*基鋁和丙三醇作為前驅(qū)體，在150 ℃的條件下將，將前驅(qū)體依次通入腔體當中。
     

      另方面，目前大多數(shù)無機-有機雜化物質(zhì)對于空氣中的濕度非常敏感，不穩(wěn)定。由于Arradiance公司生產(chǎn)的臺式ALD系列產(chǎn)品，非常小巧，并且非常友善周到地為用戶們預留了可以與各類市場主流手套箱集成的接口，從而使得無機-有機雜化物質(zhì)在制備完成后可以在惰性環(huán)境中轉(zhuǎn)移至其他實驗環(huán)境或是進行其他實驗。

圖2 Arradiance臺式原子層沉積系統(tǒng)，設計緊湊，功能齊全，堪稱“麻雀雖小五臟俱全”

圖3 緊湊而友善的設計理念，使得Arradiance ALD系統(tǒng)

可以方便地與手套箱集成，滿足用戶的殊實驗需求