PEMFC陰極催化劑研究取得重要進展

 據(jù)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心報道：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)院的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（PEMFC）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)，論文的共同作者為博士研究生李衎和李星星博士。

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

質(zhì)子交換膜燃料電池具有*，能量效率高，功率可調(diào)等優(yōu)點，是未來電動汽車中理想的驅(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運轉(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的意義。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，許多已報道的鉑基催化劑擁有的質(zhì)量活性，但是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)定性的鉑基催化劑挑戰(zhàn)。

面對這一難題，中科大和湖南大學(xué)研究團隊通過精細(xì)調(diào)控鉑基催化劑的維度、尺寸、以及組分，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)量活性是商用鉑碳納米催化劑的15.2倍。與此同時，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)量活性性能損失達到了73.7%。相較于商業(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)量活性以及催化穩(wěn)定性方面都有顯著的提高，展現(xiàn)了很好的應(yīng)用潛力。

該項研究得到了中科院前沿科學(xué)重點研究項目、國家重大科學(xué)研究計劃、國家自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金等項目的資助。