質子交換膜燃料電池陰極催化劑研製取得重要進展

近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室和化學與材料科學學院曾傑教授課題組與美國Akron大學彭振猛教授、上海應用物理研究所司銳教授合作，在質子交換膜燃料電池陰極催化劑研製方面取得重要進展。研究人員基於集團效應（ensemble effect）設計出一種銠原子摻雜的鉑超細納米線催化劑，其在燃料電池陰極氧還原反應中表現出高活性和高穩定性。該成果以「Achieving Remarkable Activity and Durability toward Oxygen Reduction Reaction Based on Ultrathin Rh-Doped Pt Nanowires」為題，發表在《美國化學會志》雜誌上（(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8152?8159)），論文的共同第一作者是博士後黃宏文和博士研究生李衎。

銠參雜鉑超細納米線的氧還原反應性能

質子交換膜燃料電池（PEMFCs）被認為是在運輸工具和移動設備的高效電力輸送中具有廣闊前景的清潔能源轉換技術。然而，其陰極氧還原反應由於動力學緩慢需要大量貴金屬鉑作為催化劑，增加了相關部件的製造成本，從而限制了該技術的商業化。提高鉑催化劑在氧還原反應中的質量活性可有效減少鉑的用量，從而實現成本的降低。提升催化劑中鉑利用率的策略層出不窮，許多已報道的鉑基催化劑擁有卓越的質量活性，但是其中絕大部分催化劑的穩定性並不可觀。這些鉑基催化劑穩定性不足主要歸結於高質量活性所依賴的結構在熱力學不能夠穩定存在，因此不能兼具高質量活性和優良的穩定性。

面對這一挑戰，研究人員在通過調節鉑基催化劑的維度來改變對稱性和與碳負載的接觸面積的同時，引入銠原子增強其穩定性。銠原子摻雜鉑超細納米線的直徑僅有1.3納米，其鉑原子利用率高達48.6%。碳負載的銠原子摻雜鉑基超細納米線的質量活性和比活性分別達到了商用鉑碳催化劑的7.8倍和5.4倍，同時該催化劑在氧氣氣氛下循環使用10000次後，只有9.2%的質量活性性能損失，而與之相對的商用鉑碳催化劑在氧氣氣氛下循環使用10000次後，質量活性性能損失達到72.3%。

該項研究得到了中科院前沿科學重點研究項目、國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、博士後科學基金等項目的資助。

附論文鏈接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b01036

（微尺度物質科學國家實驗室、化學與材料科學學院、科研部）

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