低成本、高活性和長壽命的電催化劑是燃料電池產(chǎn)業(yè)化的關鍵因素之一。一般認為主要有兩種技術路線：一種是通過提高催化劑中貴金屬的原子利用率來大幅降低貴金屬的使用量，另一種是開發(fā)具有高效催化效果的非貴金屬催化劑。本文分享華中科技大學夏寶玉教授團隊在高效長壽命鉑合金催化劑的最新研究進展。
2019年11月15日，國際頂級學術期刊《Science》以研究長文形式刊發(fā)華中科技大學化學與化工學院夏寶玉教授團隊的最新研究成果《Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells》。該文闡述了夏寶玉教授團隊在高效長壽命鉑合金催化劑的最新研究進展：采用(電)化學腐蝕方法對鉑基催化劑的近表面結構和組分進行調(diào)控，大幅提升高效鉑鎳合金催化劑在實際燃料電池器件中的耐久性，有望成為發(fā)展燃料電池行之有效的關鍵手段。
目前能滿足實際應用要求的燃料電池氫氧化和氧還原催化劑只有鉑基催化劑。其中，氧還原反應是包括燃料電池和金屬-空氣電池等新能源技術的核心反應。而貴金屬鉑的高成本和稀缺性成為燃料電池商用化推廣的最大障礙之一。因此，研發(fā)低成本、高活性和長壽命的陰極氧還原催化劑是發(fā)展燃料電池等能源技術的關鍵。
近年來，高活性鉑基催化劑的設計已經(jīng)取得突破，但催化劑仍然面臨著在實際燃料電池器件中的服役水平與壽命的重大挑戰(zhàn)。針對上述難題，夏寶玉團隊采用(電)化學腐蝕的方法對鉑基催化劑的近表面結構和組分進行調(diào)控，獲得了具有一維結構的串狀鉑鎳納米籠結構，實現(xiàn)了高穩(wěn)定性的一維結構和高活性的合金空心結構等特征的有效結合，從而大幅提升了高效鉑鎳合金催化劑在全電池中服役水平和壽命。
鉑鎳合金結構、形貌和制備示意圖
該催化劑的質量活性和比活性達到3.52 A mgPt-1和5.16 mA cmPt-2，是目前商用催化劑的17倍和14倍。更加令人振奮的是，該催化劑展示出極為優(yōu)異的催化穩(wěn)定性。經(jīng)連續(xù)5萬圈循環(huán)測試后，其質量活性只衰減了1.3%。此外，以該催化劑組裝的燃料電池也展示出優(yōu)異的性能和穩(wěn)定性(下圖)。原位X射線同步輻射吸收光譜和理論計算表明，這種催化劑結構有利于在優(yōu)化氧還原過程中的鉑氧物種吸附強度，在改善氧還原催化性能的同時，亦能保持催化劑的較高活性和結構穩(wěn)定性。
催化劑的半電池性能和氫-氧燃料電池性能圖
該項工作為合理設計低成本、高活性和長壽命鉑合金催化材料提供了一種有效策略，將有助于提升鉑合金催化材料在新能源器件中的服役水平和壽命，對發(fā)展新能源技術具有重要科學意義和應用價值。該研究得到了千人計劃、國家自然科學基金委、華中科技大學以及化學與化工學院等各方面的支持。(來源：華中科技大學化學與化工學院)
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/366/6467/850
