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燃料电池氧还原反应的电催化剂设计取得重要进展

时间:2013-09-06 12:58:23 来源:合肥微尺度物质科学国家实验室|http://www.hfnl.ustc.edu.cn
  氧还原反应因其在质子交换膜燃料电池中的重要性,已经引起了极大关注。该反应是一个较慢的过程,同时过电势通常能达到300 mV左右,因此需要通过设计催化剂来提高该反应的活性。金属Pt具有稳定的高性能,已被广泛用来催化氧还原反应。在催化剂的设计中,氧还原极化电流的半波电位是衡量降低氧还原过电势能力的一个重要指标。另一方面,对于大多数低温燃料电池,毒化电极表面催化活性是目前最为严峻的问题,这使得燃料电池的大范围使用受到制约。
  最近,合肥微尺度物质科学国家实验室高级工程师王成名和熊宇杰教授课题组博士生马亮基于先前发展的氧化刻蚀技术(ACS Nano 2012, 6, 9797),继调控合成出数种铂枝状纳米结构后,又设计出具有高度内嵌型的铂立方形纳米结构。该类内嵌型立方形纳米结构具有{311}高指数晶面和很高的电催化活性。为了解决催化稳定性问题,课题组进而提出了石墨烯负载方案,形成了内嵌型铂立方纳米晶体和石墨烯的复合结构。该复合结构展现出比商业化铂碳催化剂高七倍的电流密度,并且在万次循环的稳定性实验中维持了很好的性能稳定性。更为重要的是,该催化剂在高氯酸体系中,氧还原极化电流的半波电位高达0.967 V,是目前纯Pt催化剂中的最高值,与目前活性最好的多孔Pt-Ni催化剂相当。该工作以《A Unique Platinum-Graphene Hybrid Structure for High Activity and Durability in Oxygen Reduction Reaction》为题,于2013年9月3日在线发表在自然出版集团刊物《Scientific Reports》上(Sci. Rep. 2013, 3, 2580;DOI: 10.1038/srep02580)。该项突破性的进展,对于通过表面和载体界面调控设计高效电催化剂具有重要意义。
 
设计出的内嵌型铂立方纳米晶体石墨烯的复合结构
  这项研究得到了国家自然科学基金、国家青年千人计划、中科院百人计划、中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

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