这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的详细介绍：
本研究的作者包括Alan J. Stephen、Neil V. Rees、Iryna Mikheenko和Lynne E. Macaskie，分别来自英国伯明翰大学的化学工程学院和生物科学学院。该研究于2019年7月24日发表在期刊Frontiers in Energy Research上，文章标题为《Platinum and Palladium Bio-synthesized Nanoparticles as Sustainable Fuel Cell Catalysts》。
本研究的核心科学领域是燃料电池催化剂，特别是聚合物电解质燃料电池（PEMFC）。随着气候变化的影响日益显著，研究焦点逐渐转向非碳能源系统，其中氢经济（hydrogen economy）被认为是一种可行的替代方案。氢能通过可再生能源（如太阳能或风能）驱动的电解水或光合作用产生，随后可通过燃料电池转化为电能。然而，目前燃料电池的商业化受到催化剂成本的限制，尤其是铂（Pt）和钯（Pd）等贵金属催化剂的高价格和耐久性问题。因此，开发低成本、高效且可持续的催化剂成为研究的重点。
生物合成纳米颗粒（bio-synthesized nanoparticles）作为一种环保的替代方法，近年来受到广泛关注。通过生物材料（如细菌）从金属盐溶液中合成纳米颗粒，不仅成本低廉，还能减少对环境的影响。然而，现有的生物合成方法在合成过程中和后处理阶段存在成本高、效率低的问题。本研究旨在通过生物合成双金属Pt/Pd纳米颗粒，探索其在PEMFC中的应用潜力。
本研究包括以下几个主要步骤：
细菌培养与纳米颗粒合成
使用E. coli MC4100菌株进行实验。首先，在好氧条件下将细菌培养至对数生长期，随后转移到厌氧培养基中继续培养。在合成纳米颗粒时，分别使用K2PtCl6和Na2PdCl4作为Pt和Pd的前体。通过调节金属盐溶液与细菌悬浮液的比例，合成单金属（Pt或Pd）和双金属（Pt/Pd）纳米颗粒。合成过程中，通过氢气流促进金属离子的还原。
纳米颗粒表征
使用透射电子显微镜（TEM）观察纳米颗粒的形貌和分布。通过X射线衍射（XRD）分析纳米颗粒的晶体结构，并使用Scherrer方程计算颗粒尺寸。此外，通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）确认金属负载量。
电化学测试
在三电极半电池中对催化剂进行电化学测试，使用循环伏安法（CV）和线性扫描伏安法（LSV）评估催化剂的电化学活性。通过电化学表面积（ECSA）和质量活性（mass activity）等参数比较不同催化剂的性能。
纳米颗粒的合成与表征
TEM图像显示，双金属Pt/Pd纳米颗粒在细菌表面形成了金属“壳层”，且颗粒分布均匀。XRD分析表明，双金属纳米颗粒的晶体峰位于单金属Pt和Pd之间，证明了两者的合金化。ICP-MS结果显示，双金属催化剂中Pt和Pd的摩尔分数分别为40%和60%。
电化学性能
双金属Pt/Pd催化剂的ECSA为11.27 m²/g，高于单金属Pt（6.74 m²/g）和Pd（8.77 m²/g）催化剂。此外，双金属催化剂的质量活性为2.8 mA/mg，显著高于单金属Pd（0.3 mA/mg）和Pt（1.7 mA/mg）。阻抗测试表明，双金属催化剂的导电性优于单金属催化剂。
与商业催化剂的比较
尽管双金属催化剂的性能显著优于单金属催化剂，但其质量活性仍比商业催化剂（TKK）低约100倍。然而，双金属催化剂的Pt负载量仅为商业催化剂的五分之一，显示了其在降低贵金属使用量方面的潜力。
本研究成功通过生物合成方法制备了双金属Pt/Pd纳米颗粒，并证明了其在PEMFC中的应用潜力。双金属催化剂不仅提高了电化学活性，还显著降低了贵金属的使用量，为开发低成本、可持续的燃料电池催化剂提供了新的思路。此外，本研究还揭示了细菌表面纳米颗粒的分布与导电性之间的关系，为未来的催化剂设计提供了重要参考。
本研究还探讨了细菌表面纳米颗粒的分布与导电性之间的关系，为未来催化剂的设计提供了新的思路。此外，研究还提出了通过基因工程手段优化细菌的金属摄取和纳米颗粒合成效率的可能性，为生物合成催化剂的进一步开发奠定了基础。
以上是对该研究的详细介绍，展示了其在燃料电池催化剂领域的重要贡献和潜在应用价值。