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《科學》:高效長壽命鉑合金催化劑研究有新進展
發布時間:2019-12-18 10:52 | 【 【打印】【關閉】
  11月15日,國際頂級學術期刊《科學》以研究長文形式刊發華中科技大學化學與化工學院夏寶玉教授團隊的最新研究成果《Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages forefficient oxygen reduction in practical fuel cells》。該文闡述了夏寶玉教授團隊在高效長壽命鉑合金催化劑的最新研究進展:采用(電)化學腐蝕方法對鉑基催化劑的近表面結構和組分進行調控,從而大幅提升高效鉑鎳合金催化劑在實際燃料電池器件中的服役水平和壽命,有望成為發展燃料電池行之有效的關鍵手段。
 

圖為夏寶玉(右二)與同學們在實驗室
  化學與化工學院田新龍博士為第一作者,日本電氣通信大學趙曉博士和荷蘭埃因霍溫理工大學蘇亞瓊博士為論文共同第一作者。華中科技大學為第一作者單位,化學與化工學院夏寶玉教授和新加坡南洋理工大學樓雄文教授為論文的共同通訊作者。據悉,這也是化學與化工學院教師首次在《科學》上發表論文。
  當前,經濟社會的高速發展使得開發新能源轉換技術勢在必行。氧還原反應是包括燃料電池和金屬-空氣電池等新能源技術的核心反應,需要價格昂貴、資源稀缺的貴金屬鉑作為催化劑克服較為遲緩的氧還原反應動力學。因此,研發低成本、高活性和長壽命的陰極氧還原催化劑是發展燃料電池等能源技術的關鍵。近年來,高活性鉑基催化劑的設計已經取得突破,但催化劑仍然面臨著在實際燃料電池器件中的服役水平與壽命的重大挑戰。針對上述難題,夏寶玉教授團隊采用(電)化學腐蝕的方法對鉑基催化劑的近表面結構和組分進行調控,獲得了具有一維結構的串狀鉑鎳納米籠結構,實現了高穩定性的一維結構和高活性的合金空心結構等特征的有效結合,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(圖1)。
  

圖1.鉑鎳合金結構、形貌和制備示意圖
  該催化劑的質量活性和比活性達到3.52 A mgPt-1and 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異的催化穩定性。經連續5萬圈循環測試后,其質量活性只衰減了1.3%。此外,以該催化劑組裝的燃料電池也展示出優異的性能和穩定性(圖2)。原位X射線同步輻射吸收光譜和理論計算表明,這種催化劑結構有利于在優化氧還原過程中的鉑氧物種吸附強度,在改善氧還原催化性能的同時,亦能保持催化劑的較高活性和結構穩定性。
  

圖2.鉑鎳合金催化性質和氫-氧燃料電池性能
  這項工作為合理設計低成本、高活性和長壽命鉑合金催化材料提供了一種有效的策略,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,對發展新能源技術具有重要科學意義和應用價值。該研究得到了國家自然科學基金委、華中科技大學等各方面的支持。
  文章來源:華中科技大學、科學網
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