10 月 22 日消息，據(jù)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)梁海偉教授與我校林岳博士、北京航空航天大學(xué)水江瀾教授等合作，發(fā)展了一種高溫“硫固體膠”的合成方法，成功研發(fā)出一系列高性能鉑基氫燃料電池催化劑，這一催化劑“家族”對于降低氫燃料電池成本，推動其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。該成果 10 月 22 日發(fā)表在國際權(quán)威期刊《科學(xué)》雜志上。
論文鏈接：science.org/doi/10.1126/science.abj9980
氫燃料電池是一種高效、清潔、無碳的發(fā)電裝置，其工作原理是氫氣和空氣中的氧氣分別在電池的陽極和陰極發(fā)生氫氧化和氧還原兩個電化學(xué)反應(yīng)，從而高效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能。然而，氫燃料電池陰極需要使用大量鉑基催化劑來催化氧還原反應(yīng)。鉑是一種貴金屬，這就使得氫燃料電池的造價非常昂貴。發(fā)展高活性催化劑、減少鉑使用量，是氫燃料電池大規(guī)模商業(yè)化的關(guān)鍵所在。
▲ 燃料電池內(nèi)部
梁海偉教授聯(lián)合團隊通過高溫“硫固體膠”的合成方法，利用硫原子與鉑原子之間強烈的相互作用，如固體膠般將鉑基合金納米顆粒在高溫下“粘”在碳載體上，有效防止了納米顆粒在高溫下尺寸變大，成功制備了 46 種鉑基合金(金屬間化合物)燃料電池催化劑。
基于構(gòu)建的龐大催化劑“家族”，他們研究發(fā)現(xiàn)鉑基合金催化活性與其表面應(yīng)力存在強關(guān)聯(lián)性：在很寬的壓縮應(yīng)變范圍內(nèi)，其氧還原活性隨著壓縮應(yīng)變的增加呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢。該現(xiàn)象不同于經(jīng)典理論預(yù)測的火山關(guān)系趨勢。基于該發(fā)現(xiàn)，他們預(yù)測若能通過減小鉑合金催化劑的晶格參數(shù)增大壓縮應(yīng)變，有望將催化性能進一步推向峰值。
研究人員從合成的 46 種催化劑“家族”中篩選出數(shù)種高活性催化劑，使得氫燃料電池性能達(dá)到了目前世界先進水平。和商業(yè)鉑碳催化劑相比，他們所合成的鉑鎳合金催化劑的活性高 5 倍以上，但鉑的使用量只有商業(yè)鉑碳催化劑的十分之一時，他們所合成的鉑鈷合金催化劑表現(xiàn)出與商業(yè)鉑碳催化劑相當(dāng)?shù)娜剂想姵匦阅堋?/p>
審稿人認(rèn)為，“這項研究展示的尺寸小于 5 納米的金屬間化合物納米顆粒對催化應(yīng)用至關(guān)重要。作者向我們展示了系列二元和多元鉑基金屬間化合物的尺寸控制合成，令人印象深刻。”
梁海偉表示，他們制備高性能鉑合金氫燃料電池催化劑的方法是一種普適性方法，有望大幅降低鉑使用量，從而降低燃料電池成本。
