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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院吳長(zhǎng)征教授實(shí)驗(yàn)課題組和工程科學(xué)學(xué)院近代力學(xué)系吳恒安教授理論計(jì)算課題組合作，合成了超小尺寸的鉑基金屬間化合物電催化劑，基于該催化劑組裝的質(zhì)子交換膜燃料電池在30000次循環(huán)耐久性測(cè)試后仍然能維持81.5%的放電功率，實(shí)現(xiàn)燃料電池的高功率放電和長(zhǎng)久循環(huán)穩(wěn)定性，并揭示了電池內(nèi)三相界面的傳質(zhì)機(jī)理。相關(guān)成果于8月發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》(PNAS)雜志上 (Proc. Natl. Acad. Sci. 2021, DOI: 10.1073/pnas.2104026118 )。

質(zhì)子交換膜燃料電池相對(duì)于其他種類(lèi)電池具有放電功率大、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，其中陰極氧還原反應(yīng)是電池全反應(yīng)的速控步驟。鉑基金屬間化合物，因其長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性上有著天然優(yōu)勢(shì)，是下一代燃料電池商用氧還原催化劑體系。當(dāng)前，鉑基金屬間化合物依然存在顆粒尺寸較大等問(wèn)題，導(dǎo)致鉑利用率和質(zhì)量活性降低，成為制約燃料電池性能提升的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題之一。

超小尺寸鉑基金屬間化合物在燃料電池膜電極中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，吳長(zhǎng)征教授團(tuán)隊(duì)合成了系列具有2 nm左右超小尺寸鉑基金屬間化合物Pt3Co、PtCo、Pt3Ti顆粒。由超小尺寸Pt3Co金屬間化合物顆粒組裝出燃料電池比商業(yè)Pt/C的功率密度高出530 mW/cm-2。在耐久性測(cè)試中，超小尺寸的Pt3Co顆粒在30000圈循環(huán)后質(zhì)量活性依然可以達(dá)到0.75 A/mg。同時(shí)，位于介孔碳內(nèi)部的鉑基金屬間化合物顆粒有利于燃料電池工況下三相界面優(yōu)化。理論計(jì)算表明，介孔內(nèi)部可以高效地完成質(zhì)子和氧氣的傳輸并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，大大降低電池傳質(zhì)阻力，同時(shí)防止離聚物對(duì)電池催化劑的毒化作用。

該項(xiàng)研究基于超小尺寸鉑基金屬間化合物從納米到介觀尺度系統(tǒng)優(yōu)化了催化劑在燃料電池膜電極中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高性能表達(dá)，為燃料電池陰極催化材料提供了新思路。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳長(zhǎng)征教授課題組博士后程晗、博士生桂仁杰和吳恒安教授課題組博士后余昊為本論文的共同第一作者，吳長(zhǎng)征教授為通訊作者。此項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目、安徽省自然科學(xué)基金等專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的資助。

論文鏈接：https://www.pnas.org/content/118/35/e2104026118