中科大:質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑研制獲進(jìn)展

時(shí)間:2017-06-30 14:31來(lái)源:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 作者:志明
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銠參雜鉑超細(xì)納米線的氧還原反應(yīng)性能

  近日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院曾杰教授課題組與美國(guó)Akron大學(xué)彭振猛教授、上海應(yīng)用物理研究所司銳教授合作,在質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑研制方面取得重要進(jìn)展。研究人員基于集團(tuán)效應(yīng)(ensemble effect)設(shè)計(jì)出一種銠原子摻雜的鉑超細(xì)納米線催化劑,其在燃料電池陰極氧還原反應(yīng)中表現(xiàn)出高活性和高穩(wěn)定性。該成果以“Achieving Remarkable Activity and Durability toward Oxygen Reduction 
Reaction Based on Ultrathin Rh-Doped Pt Nanowires”為題,發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》雜志上((J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8152−8159)),論文的共同第一作者是博士后黃宏文和博士研究生李衎。
 
  質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)被認(rèn)為是在運(yùn)輸工具和移動(dòng)設(shè)備的高效電力輸送中具有廣闊前景的清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。然而,其陰極氧還原反應(yīng)由于動(dòng)力學(xué)緩慢需要大量貴金屬鉑作為催化劑,增加了相關(guān)部件的制造成本,從而限制了該技術(shù)的商業(yè)化。提高鉑催化劑在氧還原反應(yīng)中的質(zhì)量活性可有效減少鉑的用量,從而實(shí)現(xiàn)成本的降低。提升催化劑中鉑利用率的策略層出不窮,許多已報(bào)道的鉑基催化劑擁有卓越的質(zhì)量活性,但是其中絕大部分催化劑的穩(wěn)定性并不可觀。這些鉑基催化劑穩(wěn)定性不足主要?dú)w結(jié)于高質(zhì)量活性所依賴的結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)不能夠穩(wěn)定存在,因此不能兼具高質(zhì)量活性和優(yōu)良的穩(wěn)定性。
 
  面對(duì)這一挑戰(zhàn),研究人員在通過(guò)調(diào)節(jié)鉑基催化劑的維度來(lái)改變對(duì)稱性和與碳負(fù)載的接觸面積的同時(shí),引入銠原子增強(qiáng)其穩(wěn)定性。銠原子摻雜鉑超細(xì)納米線的直徑僅有1.3納米,其鉑原子利用率高達(dá)48.6%。碳負(fù)載的銠原子摻雜鉑基超細(xì)納米線的質(zhì)量活性和比活性分別達(dá)到了商用鉑碳催化劑的7.8倍和5.4倍,同時(shí)該催化劑在氧氣氣氛下循環(huán)使用10000次后,只有9.2%的質(zhì)量活性性能損失,而與之相對(duì)的商用鉑碳催化劑在氧氣氣氛下循環(huán)使用10000次后,質(zhì)量活性性能損失達(dá)到72.3%。
 
  該項(xiàng)研究得到了中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
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文章標(biāo)簽: 燃料電池 鉑催化劑
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