新型催化劑有效提升燃料電池性能

記者10月29日從昆明理工大學獲悉，該校化學工程學院與香港科技大學合作，通過制備非貴金屬單原子催化劑，有效提升了燃料電池的氧還原反應(yīng)活性，在燃料電池催化劑領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)成果發(fā)表于國際期刊《德國應(yīng)用化學》。

燃料電池作為一種清潔能源技術(shù)，其規(guī)?；瘧?yīng)用面臨的一大挑戰(zhàn)是鉑等貴金屬催化劑的成本高昂，同時活性和耐久性也存在不足。鐵-氮-碳材料是最有可能取代鉑、應(yīng)用于燃料電池的非貴金屬催化劑。沸石咪唑型金屬有機框架是合成高性能鐵-氮-碳材料最有效的前驅(qū)體之一。然而，傳統(tǒng)沸石咪唑型金屬有機框架衍生制備的鐵-氮-碳催化劑為微孔材料，不利于傳質(zhì)。此外，其活性位點為平面鐵-氮結(jié)構(gòu)，活性仍有待提升。

為此，昆明理工大學博士馮東、副教授李金成、教授梅毅與香港科技大學教授邵敏華組成的研究團隊，創(chuàng)新性地提出了一種氧化鋅輔助策略。他們利用棒狀氧化鋅水解產(chǎn)生的鋅離子與2-甲基咪唑反應(yīng)，成功制備了氯化血紅素修飾的沸石咪唑型金屬有機框架薄膜。通過進一步熱解，他們得到了中空管狀鐵-氮-碳材料。這種材料的管壁布滿有層次的介孔和微孔，鐵-氮活性位點可被巧妙地錨定在這些納米孔內(nèi)部，形成了彎曲應(yīng)力，從而顯著提高了催化活性。

實驗結(jié)果顯示，鐵-氮-碳材料在氧還原反應(yīng)中表現(xiàn)出色，在堿性條件下半波電位高達0.925伏，在酸性介質(zhì)中也能達到0.825伏。當這種材料作為陰極催化劑應(yīng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池和鋅空氣電池時，電池功率密度同樣表現(xiàn)出極高的水平。例如，氫空氣條件下，其功率達每平方厘米715毫瓦，遠高于傳統(tǒng)鐵-氮-碳材料每平方厘米175毫瓦的水平。

此外，研究團隊還通過原位變溫高能X射線衍射和相關(guān)理論計算，深入揭示了催化劑的合成機制及其電催化氧還原反應(yīng)的機理，為能源器件中高性能催化劑的設(shè)計、制備及其催化機制的研究提供了新的思路。