近日，中國(guó)科技大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院曾杰教授課題組與美國(guó)Akron大學(xué)的彭振猛教授、上海應(yīng)用物理所的司銳教授合作，在質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑的研制方面取得重要進(jìn)展。研究人員結(jié)合鉑（Pt）原子高利用率、各向異性一維納米結(jié)構(gòu)、銠（Rh）原子摻雜等特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)高活性和高穩(wěn)定性的氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑。該成果以“Achieving Remarkable Activity and Durability toward Oxygen Reduction Reaction Based on Ultrathin Rh-Doped Pt Nanowires”為題發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》雜志上（(J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8152−8159)），論文的共同第一作者是博士后黃宏文和博士研究生李衎。

 

Rh參雜Pt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）是被認(rèn)為在運(yùn)輸工具和移動(dòng)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(dòng)力學(xué)緩慢需要大量貴金屬Pt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Pt催化劑在ORR中的質(zhì)量活性可有效減少Pt的用量，從而實(shí)現(xiàn)成本的降低。提升催化劑中Pt利用率的策略層出不窮，許多已報(bào)道的Pt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Pt基催化劑穩(wěn)定性不足主要?dú)w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(duì)這一挑戰(zhàn)，研究人員通過(guò)調(diào)節(jié)Pt基催化劑的維度來(lái)改變對(duì)稱性和與碳負(fù)載的接觸面積的同時(shí)，引入Rh增強(qiáng)其穩(wěn)定性。Rh摻雜Pt超細(xì)納米線的直徑僅有1.3 nm，其Pt原子利用率高達(dá)48.6%。碳負(fù)載的Rh摻雜Pt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Pt/C催化劑的7.8倍和5.4倍，同時(shí)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(duì)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(dá)到了72.3%。

 

　　該項(xiàng)研究得到了中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。