低成本、高活性和長壽命的電催化劑是燃料電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素之一。一般認(rèn)為主要有兩種技術(shù)路線：一種是通過提高催化劑中貴金屬的原子利用率來大幅降低貴金屬的使用量，另一種是開發(fā)具有高效催化效果的非貴金屬催化劑。本文分享華中科技大學(xué)夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)在高效長壽命鉑合金催化劑的最新研究進(jìn)展。
2019年11月15日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》以研究長文形式刊發(fā)華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)的最新研究成果《Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells》。該文闡述了夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)在高效長壽命鉑合金催化劑的最新研究進(jìn)展：采用(電)化學(xué)腐蝕方法對鉑基催化劑的近表面結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行調(diào)控，大幅提升高效鉑鎳合金催化劑在實(shí)際燃料電池器件中的耐久性，有望成為發(fā)展燃料電池行之有效的關(guān)鍵手段。
目前能滿足實(shí)際應(yīng)用要求的燃料電池氫氧化和氧還原催化劑只有鉑基催化劑。其中，氧還原反應(yīng)是包括燃料電池和金屬-空氣電池等新能源技術(shù)的核心反應(yīng)。而貴金屬鉑的高成本和稀缺性成為燃料電池商用化推廣的最大障礙之一。因此，研發(fā)低成本、高活性和長壽命的陰極氧還原催化劑是發(fā)展燃料電池等能源技術(shù)的關(guān)鍵。
近年來，高活性鉑基催化劑的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得突破，但催化劑仍然面臨著在實(shí)際燃料電池器件中的服役水平與壽命的重大挑戰(zhàn)。針對上述難題，夏寶玉團(tuán)隊(duì)采用(電)化學(xué)腐蝕的方法對鉑基催化劑的近表面結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行調(diào)控，獲得了具有一維結(jié)構(gòu)的串狀鉑鎳納米籠結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性的一維結(jié)構(gòu)和高活性的合金空心結(jié)構(gòu)等特征的有效結(jié)合，從而大幅提升了高效鉑鎳合金催化劑在全電池中服役水平和壽命。
鉑鎳合金結(jié)構(gòu)、形貌和制備示意圖
該催化劑的質(zhì)量活性和比活性達(dá)到3.52 A mgPt-1和5.16 mA cmPt-2，是目前商用催化劑的17倍和14倍。更加令人振奮的是，該催化劑展示出極為優(yōu)異的催化穩(wěn)定性。經(jīng)連續(xù)5萬圈循環(huán)測試后，其質(zhì)量活性只衰減了1.3%。此外，以該催化劑組裝的燃料電池也展示出優(yōu)異的性能和穩(wěn)定性(下圖)。原位X射線同步輻射吸收光譜和理論計(jì)算表明，這種催化劑結(jié)構(gòu)有利于在優(yōu)化氧還原過程中的鉑氧物種吸附強(qiáng)度，在改善氧還原催化性能的同時(shí)，亦能保持催化劑的較高活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
催化劑的半電池性能和氫-氧燃料電池性能圖
該項(xiàng)工作為合理設(shè)計(jì)低成本、高活性和長壽命鉑合金催化材料提供了一種有效策略，將有助于提升鉑合金催化材料在新能源器件中的服役水平和壽命，對發(fā)展新能源技術(shù)具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。該研究得到了千人計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、華中科技大學(xué)以及化學(xué)與化工學(xué)院等各方面的支持。(來源：華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院)
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https://science.sciencemag.org/content/366/6467/850
