中國科大在質子交換膜燃料電池電催化劑方面取得進展

記者8月27日從中國科大獲悉，近日，中國科學技術大學化學與材料科學學院吳長征教授實驗課題組和工程科學學院近代力學系吳恒安教授理論計算課題組合作，合成了超小尺寸的鉑基金屬間化合物電催化劑，基于該催化劑組裝的質子交換膜燃料電池在30000次循環耐久性測試后仍然能維持81.5%的放電功率，實現燃料電池的高功率放電和長久循環穩定性，并揭示了電池內三相界面的傳質機理。相關成果于8月發表在《美國科學院院報》(PNAS)雜志上 (Proc. Natl. Acad. Sci. 2021, DOI: 10.1073/pnas.2104026118 )。

質子交換膜燃料電池相對于其他種類電池具有放電功率大、無污染等優勢，其中陰極氧還原反應是電池全反應的速控步驟。鉑基金屬間化合物，因其長程有序結構在穩定性上有著天然優勢，是下一代燃料電池商用氧還原催化劑體系。當前，鉑基金屬間化合物依然存在顆粒尺寸較大等問題，導致鉑利用率和質量活性降低，成為制約燃料電池性能提升的關鍵瓶頸問題之一。

針對這一挑戰，吳長征教授團隊合成了系列具有2 nm左右超小尺寸鉑基金屬間化合物Pt3Co、PtCo、Pt3Ti顆粒。由超小尺寸Pt3Co金屬間化合物顆粒組裝出燃料電池比商業Pt/C的功率密度高出530 mW/cm-2。在耐久性測試中，超小尺寸的Pt3Co顆粒在30000圈循環后質量活性依然可以達到0.75 A/mg。同時，位于介孔碳內部的鉑基金屬間化合物顆粒有利于燃料電池工況下三相界面優化。理論計算表明，介孔內部可以高效地完成質子和氧氣的傳輸并實現動態平衡，大大降低電池傳質阻力，同時防止離聚物對電池催化劑的毒化作用。

該項研究基于超小尺寸鉑基金屬間化合物從納米到介觀尺度系統優化了催化劑在燃料電池膜電極中的結構設計并實現高性能表達，為燃料電池陰極催化材料提供了新思路。

中國科學技術大學吳長征教授課題組博士后程晗、博士生桂仁杰和吳恒安教授課題組博士后余昊為本論文的共同第一作者，吳長征教授為通訊作者。此項研究工作得到了國家重點基礎研究發展計劃項目、國家自然科學基金項目、中國博士后科學基金項目、安徽省自然科學基金等專項經費的資助。（記者 汪喬）

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