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研究人員在燃料電池陰極ORR電催化劑上取得突破
時(shí)間:2023-04-04 09:32來源:中國科學(xué)報(bào) 作者:李思輝 羅智霖
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《中國科學(xué)報(bào)》記者從武漢理工大學(xué)獲悉，該校材料科學(xué)與工程國際化示范學(xué)院劉勇教授團(tuán)隊(duì)在燃料電池陰極氧化還原反應(yīng)電催化劑的設(shè)計(jì)研究上取得突破，設(shè)計(jì)合成出一維各向異性介孔Pt@Pt-skin?Pt?Ni核-殼框架納米線（CSFWs）高效電催化劑，在氧化還原反應(yīng)中表現(xiàn)出了較高的催化活性與電催化穩(wěn)定性。相關(guān)研究成果近日在線發(fā)表于《自然-通訊》上。
Mn3Sn中的磁場誘導(dǎo)線性反常霍爾效應(yīng)。受訪者供圖
氧化還原反應(yīng)（ORR）是燃料電池新能源技術(shù)的核心反應(yīng)，是燃料電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，發(fā)展新能源體系的高性能催化材料則成為重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。鉑（Pt）作為目前ORR公認(rèn)性能最好的電化學(xué)催化劑，在地殼中的儲存量少且價(jià)格昂貴，這導(dǎo)致了其在燃料電池領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用受阻。如何提高Pt催化劑的原子利用率、反應(yīng)活性和穩(wěn)定性一直是發(fā)展燃料電池等能源技術(shù)的核心問題。
目前，材料化學(xué)家們主要是通過調(diào)控催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分來提高Pt的利用率和催化性能，將Pt和其他廉價(jià)金屬如鎳（Ni）、鐵（Fe）等合金化并制備成三維（3D）多孔框架結(jié)構(gòu)是一種很有前途的方法。該方法不僅可以極大降低催化劑中Pt的含量，而且可以最大限度地暴露高活性位點(diǎn)。此外，一維（1D）納米結(jié)構(gòu)由于其固有的各向異性、較高的導(dǎo)電性以及與碳載體存在更大的表面接觸，被認(rèn)為是提高Pt催化劑穩(wěn)定性的最有效途徑。
劉勇教授課題組綜合3D多孔納米框架和1D納米各向異性，設(shè)計(jì)合成出了一維各向異性介孔Pt@Pt-skin?Pt?Ni核-殼框架納米線（CSFWs）高效電催化劑。該催化劑由一維超細(xì)Pt納米線（~3 nm）和介孔Pt-skin Pt?Ni框架核-殼異質(zhì)構(gòu)筑，具有優(yōu)異的電催化活性、穩(wěn)定性和高Pt原子利用率。在ORR催化反應(yīng)中，該催化劑的質(zhì)量活性（MA）和比活性（SA）高達(dá)6.69A/mgpt和8.42mA/cm2，分別是商用Pt納米催化劑的29倍和26倍；同時(shí)催化劑也表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，50000次循環(huán)后其活性衰減不到3%。
研究成果結(jié)合了三維開放的孔結(jié)構(gòu)和一維各向異性的優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了Pt基催化劑在燃料電池陰極氧還原反應(yīng)（ORR）中的瓶頸問題。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37268-4
(責(zé)任編輯：子蕊)
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