11月15日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》以研究長(zhǎng)文形式刊發(fā)華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)的最新研究成果《Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages forefficient oxygen reduction in practical fuel cells》。該文闡述了夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)在高效長(zhǎng)壽命鉑合金催化劑的最新研究進(jìn)展：采用（電）化學(xué)腐蝕方法對(duì)鉑基催化劑的近表面結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行調(diào)控，從而大幅提升高效鉑鎳合金催化劑在實(shí)際燃料電池器件中的服役水平和壽命，有望成為發(fā)展燃料電池行之有效的關(guān)鍵手段。

圖為夏寶玉（右二）與同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)室

化學(xué)與化工學(xué)院田新龍博士為第一作者，日本電氣通信大學(xué)趙曉博士和荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)蘇亞瓊博士為論文共同第一作者。華中科技大學(xué)為第一作者單位，化學(xué)與化工學(xué)院夏寶玉教授和新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文教授為論文的共同通訊作者。據(jù)悉，這也是化學(xué)與化工學(xué)院教師首次在《科學(xué)》上發(fā)表論文。 

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展使得開發(fā)新能源轉(zhuǎn)換技術(shù)勢(shì)在必行。氧還原反應(yīng)是包括燃料電池和金屬-空氣電池等新能源技術(shù)的核心反應(yīng)，需要價(jià)格昂貴、資源稀缺的貴金屬鉑作為催化劑克服較為遲緩的氧還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。因此，研發(fā)低成本、高活性和長(zhǎng)壽命的陰極氧還原催化劑是發(fā)展燃料電池等能源技術(shù)的關(guān)鍵。近年來(lái)，高活性鉑基催化劑的設(shè)計(jì)已經(jīng)取得突破，但催化劑仍然面臨著在實(shí)際燃料電池器件中的服役水平與壽命的重大挑戰(zhàn)。針對(duì)上述難題，夏寶玉教授團(tuán)隊(duì)采用（電）化學(xué)腐蝕的方法對(duì)鉑基催化劑的近表面結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行調(diào)控，獲得了具有一維結(jié)構(gòu)的串狀鉑鎳納米籠結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性的一維結(jié)構(gòu)和高活性的合金空心結(jié)構(gòu)等特征的有效結(jié)合，從而大幅提升了高效鉑鎳合金催化劑在全電池中服役水平和壽命（圖1）。

圖1.鉑鎳合金結(jié)構(gòu)、形貌和制備示意圖

該催化劑的質(zhì)量活性和比活性達(dá)到3.52 A mgPt-1and 5.16 mA cmPt-2，是目前商用催化劑的17倍和14倍。更加令人振奮的是，該催化劑展示出極為優(yōu)異的催化穩(wěn)定性。經(jīng)連續(xù)5萬(wàn)圈循環(huán)測(cè)試后，其質(zhì)量活性只衰減了1.3%。此外，以該催化劑組裝的燃料電池也展示出優(yōu)異的性能和穩(wěn)定性（圖2）。原位X射線同步輻射吸收光譜和理論計(jì)算表明，這種催化劑結(jié)構(gòu)有利于在優(yōu)化氧還原過(guò)程中的鉑氧物種吸附強(qiáng)度，在改善氧還原催化性能的同時(shí)，亦能保持催化劑的較高活性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2.鉑鎳合金催化性質(zhì)和氫-氧燃料電池性能

 這項(xiàng)工作為合理設(shè)計(jì)低成本、高活性和長(zhǎng)壽命鉑合金催化材料提供了一種有效的策略，將有助于提升鉑合金催化材料在新能源器件中的服役水平和壽命，對(duì)發(fā)展新能源技術(shù)具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、華中科技大學(xué)等各方面的支持。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/366/6467/850

來(lái)源：華中科技大學(xué)