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燃料电池阴极催化剂研究取得突破

2019/10/16 12:47:521598

近日，北京大学和苏州大学、美国Brookhaven国家实验室相关研究人员的联合团队在燃料电池阴极高效氧还原催化剂的研究取得重大突破。该工作首先通过化学油相合成并精细表征了具有特殊结构的六方PtPb合金纳米片，并评价了该材料的氧还原和醇氧化催化性能，最后基于量化计算结果证明膨胀晶格应力对Pt(110)面的催化性能有大的促进作用。这一全新活性位点的提出突破了过去人们对晶格应力作用的传统理解，为高性能电催化材料的设计和开发指出了新方向。该合作成果发表在最新一期的国际权威学术期刊《科学》(Science)上，并被同期Science杂志评为Highlight。

为避免温室效应所带来的气候转变危机，减少二氧化碳的排放已势在必行。据统计，全球约有23%的CO2排放来源于交通运输，而其中大部分为汽车尾气排放。因此，寻找基于清洁能源的汽车动力技术替代传统内燃机可有效解决二氧化碳过量排放所带来的诸多环境问题。由于其高能量密度、高能源转换效率、低温启动快等优势，氢能燃料电池被认为是替代内燃机的最理想汽车动力。目前，世界诸多汽车巨头都已开发出各自品牌的燃料电池汽车，尤其以日本丰田公司的Mirai最为引人注目。然而，为保证输出功率，目前的燃料电池仍需担载较高的贵金属Pt作为电催化剂，极大地制约了燃料电池汽车的商业化进程。因此，如何提高目前Pt催化剂的活性同时降低电极中的Pt用量已成为燃料电池技术研究领域的核心课题。

通过实验和量化计算结果证明，适当地调节催化剂Pt表面的晶格应力可极大地提高其催化活性。过去研究发现，给Pt表面施加一个压缩应力，使Pt原子的间距缩小，可优化Pt的电子结构，使其d带中心下移，从而降低反应中间体对Pt表面的毒化，提高反应整体速率。国际上诸多研究团队也基于压缩晶格应力设计了诸多高性能的电催化材料，而膨胀的晶格应力则往往被认为对Pt的催化性能有制约作用。为深入理解电催化中的应力效应，北京大学工学院郭少军团队与苏州大学黄小清课题组、美国Brookhaven国家实验室Dong Su博士设计开发了一种基于膨胀晶格应力的新型催化剂。实验结果发现，该催化剂的比质量和面积活性分别达到了7.8 mA/cm2和4.3 A/mgPt,比商业Pt/C分别高出27和34倍。进一步研究发现，膨胀性应力能减弱含氧中间体对Pt（110）面上“桥式位点”的吸附强度，进而提高氧还原催化性能。

郭少军研究员表示：“该工作将对基础电催化理论研究和新型高效燃料电池电催化剂的开发产生重大影响，使研究人员得以认识膨胀性应力对电催化的潜在影响规律，也为下一代高性能低成本燃料电池电催化剂的结构设计提供了新思路。”

该工作在北京大学、苏州大学和美国Brookhaven国家实验室三个单位的紧密合作下完成。郭少军、Dong Su、黄小青依次为论文的通讯作者。该项目得到北京大学工程科学与技术创新高精尖中心基金、科技部重点研发计划和国家自然科学基金等支持。

图1. 新型PtPb电催化剂微观精细结构分析

图2. 电催化性能评价及DFT计算各反应位点的氧结合能