新型納米結(jié)構(gòu)推動燃料電池電極催化劑的發(fā)展

莊林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，化學(xué)電源材料與技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢430072)

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新型納米結(jié)構(gòu)推動燃料電池電極催化劑的發(fā)展

莊林

(武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，化學(xué)電源材料與技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢430072)

［Highlight］

www.whxb.pku.edu.cn

燃料電池是一種不受卡諾循環(huán)限制、清潔高效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能源轉(zhuǎn)換裝置。電催化劑是燃料電池的核心部件，在很大程度上決定了最終的放電性能。目前，碳載納米鉑(Pt/C)是最被廣泛使用的燃料電池陽極燃料氧化反應(yīng)和陰極氧氣還原反應(yīng)(ORR)的電催化劑。然而，Pt/C高成本、低活性和低穩(wěn)定性的特點嚴重制約了燃料電池技術(shù)的商業(yè)化進程。近年來，研究人員試圖通過對納米材料微觀結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控來解決以上問題，取得了極大的進展1－3。

相比于零維的鉑納米顆粒，一維的鉑基納米材料(如納米線、納米管等)由于其各向異性、高比表面積和高傳導(dǎo)率等特征具有更高的電催化性能。已有研究表明，一維納米材料的直徑對催化性能有較大影響。比如，用傳統(tǒng)方法合成的粗納米線幾乎都是光滑的晶面，雖有利于催化劑的穩(wěn)定性，卻不利于催化活性；而較細的納米線則面臨穩(wěn)定性不高的問題4。

Nature Communications最近刊出了北京大學(xué)郭少軍教授課題組和蘇州大學(xué)黃小清教授課題組的相關(guān)研究成果5。通過簡易可批量化的油相合成方法，他們首次制備了一種具有層次表面的PtCo合金納米線。與以往報道的納米線不同，該材料具有有序合金相、高指數(shù)晶面和富Pt表面，使其具有極高的甲醇/乙醇氧化(MOR/EOR)活性和ORR活性。該PtCo合金納米線具有目前PtCo系列催化劑最高的ORR活性，在0.9 V時的比質(zhì)量活性高達3.71 A·mg－1，是商業(yè)Pt/C催化劑的33.7倍。除此之外，該材料還具有較好的電化學(xué)和熱穩(wěn)定性。

為徹底擺脫貴金屬Pt對燃料電池催化劑的束縛，該研究團隊亦開展了用更廉價的Pd替代Pt的研究。他們結(jié)合油相合成和低溫?zé)崽幚硌兄屏艘幌盗谢赑dCu的有序化合金納米材料。其中，結(jié)構(gòu)有序的PdCuCo樣品表現(xiàn)出最高的EOR和ORR催化性能，且超過商業(yè)Pt/C和Pd/C催化劑。通過密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)PdCuM納米顆粒表面的hollow sites是ORR的活性中心，較小原子半徑的Cu、Co或Ni對表面Pd原子的配位效應(yīng)和收縮張力效應(yīng)是催化活性得到提高的關(guān)鍵。該工作近期發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition6。

References

(1)Chen,C.;Kang,Y.J.;Huo,Z.Y.;Zhu,Z.W.;Huang,W.Y.;Xin, H.L.;Snyder,J.D.;Li,D.G.;Herron,J.A.;Mavrikakis,M.; Chi,M.F.;More,K.L.;Li,Y.D.;Markovic,N.M.;Somorjai,G. A.;Yang,P.D.;Stamenkovic,V.R.Science 2014,343,1339. doi:10.1126/science.1249061

(2)Zhang,L.;Roling,L.T.;Wang,X.;Vara,M.;Chi,M.;Liu,J.; Choi,S.I.;Park,J.;Herron,J.A.;Xie,Z.;Mavrikakis,M.;Xia, Y.N.Science 2015,349,412.doi:10.1126/science.aab0801

(3)Escudero-Escribano,M.;Malacrida,P.;Hansen,M.H.;Vej-Hansen,U.G.;Velazquez-Palenzuela,A.;Tripkovic,V.;Schiotz, J.;Rossmeisl,J.;Stephens,I.E.L.;Chorkendorff,I.Science 2016,352,73.doi:10.1126/science.aad8892

(4)Guo,S.J.;Zhang,S.;Sun,S.H.Angew.Chem.Int.Ed.2013,52, 8526.doi:10.1002/anie.201207186

(5)Bu,Z.L.;Guo,S.J.;Zhang,X.;Shen,X.;Su,D.;Lu,G.;Zhu, X.;Yao,J.L.;Guo,J.;Huang,X.Q.Nat.Commun.2016,7, 11850.doi:10.1038/ncomms11850

(6)Jiang,K.Z.;Wang,P.T.;Guo,S.J.;Zhang,X.;Shen,X.;Lu,G.; Su,D.;Huang,X.Q.Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,1. doi:10.1002/anie.201603022

10.3866/PKU.WHXB201607061