質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑研究取得重要進(jìn)展

近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院曾杰教授課題組與湖南大學(xué)黃宏文教授合作,研制了一種兼具優(yōu)異的催化活性及穩(wěn)定性的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑。該成果以“One-Nanometer-Thick PtNiRh Trimetallic Nanowires with Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis in Acid Media: Integrating Multiple Advantages into One Catalyst”為題,發(fā)表在《美國化學(xué)會志》雜志上(J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 16159-16167),論文的共同第一作者是博士研究生李衎和李星星博士。

質(zhì)子交換膜燃料電池具有零排放、能量效率高、功率可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),是未來電動汽車中最理想的驅(qū)動電源,具有廣闊的市場前景。但是質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極端氧還原反應(yīng)的動力學(xué)十分緩慢,需要使用大量貴金屬鉑納米催化劑作為電極催化劑來維持質(zhì)子交換膜燃料電池的高效運(yùn)轉(zhuǎn),這使得質(zhì)子交換膜燃料電池的成本十分高昂,限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。為此,減少質(zhì)子交換膜燃料電池中貴金屬鉑的用量具有重要意義。在鉑基催化劑中,提高鉑基催化劑在氧還原反應(yīng)中的質(zhì)量活性以及催化穩(wěn)定性是降低貴金屬鉑用量的途徑。目前,許多已報(bào)道的鉑基催化劑擁有卓越的質(zhì)量活性,但其中絕大部分催化劑的穩(wěn)定性并不可觀,這是由于高質(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,研制兼具高質(zhì)量活性和優(yōu)良的穩(wěn)定性的鉑基催化劑極具挑戰(zhàn)性。

一維超細(xì)鉑基金屬納米線的微結(jié)構(gòu)及氧還原催化反應(yīng)性能

面對這一難題,研究人員通過精細(xì)調(diào)控鉑基催化劑的維度、尺寸、組分,研制了超細(xì)的鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑。由于該納米線的直徑僅有一納米,其表面鉑原子占整體鉑原子比率高于50%,展現(xiàn)了超高的原子利用率,為高的催化質(zhì)量活性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。氧還原催化測試表明,碳負(fù)載的超細(xì)鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑的質(zhì)量活性是目前商用鉑碳納米催化劑的15.2倍。與此同時(shí),碳負(fù)載的超細(xì)鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑在氧氣氣氛下循環(huán)使用10000次后,只有12.8%的質(zhì)量活性性能損失,而與之相對的商用Pt/C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)到了73.7%。相較于目前商業(yè)鉑碳納米催化劑,碳負(fù)載的超細(xì)鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑在質(zhì)量活性和催化穩(wěn)定性方面都有顯著的提高,展現(xiàn)出很好的應(yīng)用潛力。

該研究得到了中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。