質子交換膜燃料電池陰極催化劑研究取得重要進展

近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學與材料科學學院曾傑教授課題組與湖南大學黃宏文教授合作，研製了一種兼具優異的催化活性及穩定性的質子交換膜燃料電池陰極催化劑。該成果以「One-Nanometer-Thick PtNiRh Trimetallic Nanowires with Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis in Acid Media: Integrating Multiple Advantages into One Catalyst」為題，發表在《美國化學會志》雜誌上(J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 16159-16167)，論文的共同第一作者是博士研究生李衎和李星星博士。

質子交換膜燃料電池具有零排放、能量效率高、功率可調等優點，是未來電動汽車中最理想的驅動電源，具有廣闊的市場前景。但是質子交換膜燃料電池的陰極端氧還原反應的動力學十分緩慢，需要使用大量貴金屬鉑納米催化劑作為電極催化劑來維持質子交換膜燃料電池的高效運轉，這使得質子交換膜燃料電池的成本十分高昂，限制了其大規模商業化應用。為此，減少質子交換膜燃料電池中貴金屬鉑的用量具有重要意義。在鉑基催化劑中，提高鉑基催化劑在氧還原反應中的質量活性以及催化穩定性是降低貴金屬鉑用量的途徑。目前，許多已報導的鉑基催化劑擁有卓越的質量活性，但其中絕大部分催化劑的穩定性並不可觀，這是由於高質量活性所依賴的結構在熱力學不能夠穩定存在，研製兼具高質量活性和優良的穩定性的鉑基催化劑極具挑戰性。

一維超細鉑基金屬納米線的微結構及氧還原催化反應性能

面對這一難題，研究人員通過精細調控鉑基催化劑的維度、尺寸、組分，研製了超細的鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑。由於該納米線的直徑僅有一納米，其表面鉑原子佔整體鉑原子比率高於50%，展現了超高的原子利用率，為高的催化質量活性提供了結構基礎。氧還原催化測試表明，碳負載的超細鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑的質量活性是目前商用鉑碳納米催化劑的15.2倍。與此同時，碳負載的超細鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑在氧氣氣氛下循環使用10000次後，只有12.8%的質量活性性能損失，而與之相對的商用Pt/C催化劑在氧氣氣氛下循環使用10000次後，質量活性性能損失達到了73.7%。相較於目前商業鉑碳納米催化劑，碳負載的超細鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑在質量活性和催化穩定性方面都有顯著的提高，展現出很好的應用潛力。

該研究得到了中科院前沿科學重點研究項目、國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、博士後科學基金等項目的資助。

附論文連結：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b08836

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、化學與材料科學學院、科研部）