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我国学者在燃料电池催化材料服役与失效研究领域取得重要进展

2019-12-03 11:39:28 能源科学技术 电池

  在国家自然科学基金项目(批准号:21805104, 21802048)资助下,华中科技大学夏宝玉等在燃料电池催化材料服役与失效研究领域取得重要进展。研究成果以“Engineering Bunched Pt-Ni Alloy Nanocages for Efficient Oxygen Reduction in Practical Fuel Cells”(实际燃料电池用高效束状铂镍合金纳米笼氧还原催化剂)为题,于2019年11月15日在线发表在Science(《科学》)上。论文链接:https://science.sciencemag.org/content/366/6467/850。

  经济社会的可持续发展亟需开发新能源技术。氧还原反应是燃料电池、金属-空气电池等新能源器件的核心反应,其动力学过程具有缓慢特征,需要采用贵金属铂基催化剂。近年来,高活性铂基催化剂已经取得突破,但在实际燃料电池器件服役中仍然面临着性能与寿命的挑战。针对上述难题,夏宝玉等结合空心结构铂基合金(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 34, 13934)和一维铂基纳米线(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 25, 9480),采用(电)化学腐蚀方法对铂基催化剂近表面结构和组分进行调控,获得了具有一维结构的串状铂镍合金纳米笼,实现了高稳定性一维结构和高活性合金空心结构的有效结合,从而大幅提升了燃料电池服役过程中高效铂镍合金催化剂的性能和寿命。

  催化剂比质量活性和比表面活性分别达到3.52 A mgPt-1和5.16 mA cmPt-2,分别是目前商用催化剂的17倍和14倍;同时,该催化剂展示出极为优异的电化学稳定性,经连续5万圈循环测试后,其比质量活性仅衰减了1.3%;原位X射线吸收光谱和理论计算结果表明催化剂的高活性和高稳定性源于其独特的形貌结构、适宜的铂/镍比例、应力和配位效应协同作用;以该催化剂组装的燃料电池表现出优异的电池性能。该研究对理性设计燃料电池催化剂并提高其服役水平和寿命,推动燃料电池及相关技术的实际应用具有重要意义。

 

图. 催化剂制备流程、活性、稳定性与电池性能

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