新型催化劑實(shí)現(xiàn)燃料電池3萬次循環(huán)高功率放電

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授吳長征實(shí)驗(yàn)課題組與教授吳恒安理論計(jì)算課題組合作，合成了超小尺寸的鉑基金屬間化合物電催化劑?；谠摯呋瘎┙M裝的質(zhì)子交換膜燃料電池，在3萬次循環(huán)耐久性測試后，仍然能維持81.5%的放電功率，實(shí)現(xiàn)燃料電池的高功率放電和長久循環(huán)穩(wěn)定性。相關(guān)成果日前發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。

相對(duì)于其他種類電池，質(zhì)子交換膜燃料電池具有放電功率大、無污染等優(yōu)勢，其中陰極氧還原反應(yīng)是電池全反應(yīng)的速控步驟。鉑基金屬間化合物，因其長程有序結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性上有著天然優(yōu)勢，是下一代燃料電池商用氧還原催化劑體系。當(dāng)前，鉑基金屬間化合物依然存在顆粒尺寸較大等問題，導(dǎo)致鉑利用率和質(zhì)量活性降低，成為制約燃料電池性能提升的“瓶頸”之一。

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，吳長征團(tuán)隊(duì)合成了系列具有2納米左右超小尺寸的鉑基金屬間化合物顆粒。由超小尺寸鉑鈷金屬間化合物顆粒組裝的質(zhì)子交換膜燃料電池，比基于商業(yè)鉑碳催化劑的燃料電池功率密度高出530毫瓦/平方厘米。在耐久性測試中，超小尺寸的鉑鈷顆粒在3萬次循環(huán)后質(zhì)量活性依然可以達(dá)到0.75安培/毫克。同時(shí)，位于介孔碳內(nèi)部的鉑基金屬間化合物顆粒有利于燃料電池工況下三相界面優(yōu)化。理論計(jì)算表明，介孔內(nèi)部可高效完成質(zhì)子和氧氣的傳輸并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，大大降低電池傳質(zhì)阻力，同時(shí)防止離聚物對(duì)電池催化劑的毒化作用。

基于超小尺寸鉑基金屬間化合物，該項(xiàng)研究從納米到介觀尺度系統(tǒng)優(yōu)化了催化劑在燃料電池膜電極中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高性能表達(dá)，為燃料電池陰極催化材料研發(fā)提供了新思路。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2104026118