近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室和化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院教授曾杰課題組與美國Akron大學(xué)教授彭振猛、中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所教授司銳合作，在質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑研制方面取得新進(jìn)展。研究人員基于集團(tuán)效應(yīng)(ensemble effect)設(shè)計出一種銠原子摻雜的鉑超細(xì)納米線催化劑，其在燃料電池陰極氧還原反應(yīng)中表現(xiàn)出高活性和高穩(wěn)定性。
 銠摻雜鉑超細(xì)納米線的氧還原反應(yīng)性能
  質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)被認(rèn)為是在運輸工具和移動設(shè)備的高效電力輸送中具有廣闊前景的清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。然而，其陰極氧還原反應(yīng)由于動力學(xué)緩慢需要大量貴金屬鉑作為催化劑，增加了相關(guān)部件的制造成本，從而限制了該技術(shù)的商業(yè)化。提高鉑催化劑在氧還原反應(yīng)中的質(zhì)量活性可有效減少鉑的用量，從而實現(xiàn)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(zhì)量活性，但是其中絕大部分催化劑的穩(wěn)定性并不可觀。這些鉑基催化劑穩(wěn)定性不足主要歸結(jié)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，因此不能兼具高質(zhì)量活性和優(yōu)良的穩(wěn)定性。
  面對這一挑戰(zhàn)，研究人員在通過調(diào)節(jié)鉑基催化劑的維度來改變對稱性和與碳負(fù)載的接觸面積的同時，引入銠原子增強(qiáng)其穩(wěn)定性。銠原子摻雜鉑超細(xì)納米線的直徑僅有1.3納米，其鉑原子利用率高達(dá)48.6%。碳負(fù)載的銠原子摻雜鉑基超細(xì)納米線的質(zhì)量活性和比活性分別達(dá)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(huán)使用10000次后，只有9.2%的質(zhì)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(huán)使用10000次后，質(zhì)量活性性能損失達(dá)到72.3%。
  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。相關(guān)成果以Achieving Remarkable Activity and Durability toward Oxygen Reduction Reaction Based on Ultrathin Rh-Doped Pt Nanowires 為題，發(fā)表在《美國化學(xué)會志》雜志上(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8152−8159)。
  編輯點評
   質(zhì)子交換膜燃料電池作為一種清潔能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，在運輸工具和移動設(shè)備的高效電力輸送中具有廣闊前景，研究人員在質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑研制方面獲進(jìn)展，增強(qiáng)了催化交換的穩(wěn)定性，同時還使其兼具高質(zhì)量活性，有助于該技術(shù)進(jìn)一步得到廣泛應(yīng)用。