近日,中国科学技术大学曾杰教授课题组与美国阿克伦大学彭振猛教授、上海应用物理研究所司锐教授合作,在质子交换膜燃料电池阴极催化剂研制方面取得重要进展。研究人员基于集团效应设计出一种铑原子掺杂的铂超细纳米线催化剂,在燃料电池阴极氧化还原反应中表现出高活性和高稳定性,从而能够大幅节省贵金属铂的用量,推动了该清洁能源转换技术的商业化应用进程。该成果发表在《美国化学会志》杂志上。 质子交换膜燃料电池电源是一种清洁、高效的绿色环保电源,具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点,被认为电动汽车、固定发电站等的首选能源。该技术研发数十年,一直未能大范围推广,除存在稳定性、耐久性等问题,高昂成本也是商业化的瓶颈。 此前,许多已报道的铂基催化剂稳定性往往并不可观,这主要是因为高的质量活性所依赖的催化剂纳米结构的热力学稳定性通常存在问题,因此很难同时兼具高质量活性和优良的稳定性。 针对这一难题,研究人员借助于原子级别精细合成技术,一方面,通过提高铂基催化剂中的铂原子的分散度来实现高的质量活性,另一方面,通过调节铂基催化剂的维度以及引入铑原子来增强铂基催化剂的稳定性,设计并合成出了一种铑原子掺杂的铂超细纳米线催化剂。研究结果表明,这种新型催化剂的质量活性和比活性分别达到了商用铂碳催化剂的7.8倍和5.4倍;同时,该催化剂在氧气气氛下循环使用1万次后,只损失了9.2%的质量活性,远超目前商用铂碳催化剂在同等情况下,质量活性性能损失达72.3%的指标。
