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铂镍合金催化剂大幅提升实际燃料电池器件的服役水平和寿命

作者:中国储能网新闻中心 来源:燃料电池干货 发布时间:2019-11-17 浏览:
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低成本、高活性和长寿命的电催化剂是燃料电池产业化的关键因素之一。一般认为主要有两种技术路线:一种是通过提高催化剂中贵金属的原子利用率来大幅降低贵金属的使用量,另一种是开发具有高效催化效果的非贵金属催化剂。本文分享华中科技大学夏宝玉教授团队在高效长寿命铂合金催化剂的最新研究进展。

2019年11月15日,国际顶级学术期刊《Science》以研究长文形式刊发华中科技大学化学与化工学院夏宝玉教授团队的最新研究成果《Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells》。该文阐述了夏宝玉教授团队在高效长寿命铂合金催化剂的最新研究进展:采用(电)化学腐蚀方法对铂基催化剂的近表面结构和组分进行调控,大幅提升高效铂镍合金催化剂在实际燃料电池器件中的耐久性,有望成为发展燃料电池行之有效的关键手段。

目前能满足实际应用要求的燃料电池氢氧化和氧还原催化剂只有铂基催化剂。其中,氧还原反应是包括燃料电池和金属-空气电池等新能源技术的核心反应。而贵金属铂的高成本和稀缺性成为燃料电池商用化推广的最大障碍之一。因此,研发低成本、高活性和长寿命的阴极氧还原催化剂是发展燃料电池等能源技术的关键。

近年来,高活性铂基催化剂的设计已经取得突破,但催化剂仍然面临着在实际燃料电池器件中的服役水平与寿命的重大挑战。针对上述难题,夏宝玉团队采用(电)化学腐蚀的方法对铂基催化剂的近表面结构和组分进行调控,获得了具有一维结构的串状铂镍纳米笼结构,实现了高稳定性的一维结构和高活性的合金空心结构等特征的有效结合,从而大幅提升了高效铂镍合金催化剂在全电池中服役水平和寿命。

铂镍合金结构、形貌和制备示意图

该催化剂的质量活性和比活性达到3.52 A mgPt-1和5.16 mA cmPt-2,是目前商用催化剂的17倍和14倍。更加令人振奋的是,该催化剂展示出极为优异的催化稳定性。经连续5万圈循环测试后,其质量活性只衰减了1.3%。此外,以该催化剂组装的燃料电池也展示出优异的性能和稳定性(下图)。原位X射线同步辐射吸收光谱和理论计算表明,这种催化剂结构有利于在优化氧还原过程中的铂氧物种吸附强度,在改善氧还原催化性能的同时,亦能保持催化剂的较高活性和结构稳定性。

催化剂的半电池性能和氢-氧燃料电池性能图

该项工作为合理设计低成本、高活性和长寿命铂合金催化材料提供了一种有效策略,将有助于提升铂合金催化材料在新能源器件中的服役水平和寿命,对发展新能源技术具有重要科学意义和应用价值。该研究得到了千人计划、国家自然科学基金委、华中科技大学以及化学与化工学院等各方面的支持。(来源:华中科技大学化学与化工学院)

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/366/6467/850

关键字:燃料电池

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