燃料电池作为一种新型洁净能源的转换设备,因具有装置简单、体积小、携带方便、能量密度高等优势而受到广泛关注。然而,燃料电池阴极氧还原反应动力学缓慢以及高Pt价格和低铂利用率,严重阻碍了其大规模应用的商业化进程。中国科学院长春应用化学研究所研究员徐维林课题组从成本和性能的角度出发,制备了一系列高效、低成本单原子非铂和单原子铂氧还原催化剂。

这些关于高效单原子锌和单原子铂氧还原电催化剂的系列工作为目前制备廉价高效燃料电池阴极电催化剂提供了一个新的研究路径。

科学家制备系列高效单原子氧还原电催化剂

以上关于高效单原子锌和单原子铂氧还原电催化剂的系列工作为目前制备廉价高效燃料电池阴极电催化剂提供了一个全新的研究思路,相关成果相继发表在《先进功能材料》和《自然通讯》上(Adv.
Funct. Mater.
2017, 27, DOI:10.1002/adfm.201700802; Nat. Commun.
2017, 8, DOI: 10.1038/ncomms15938)。

燃料电池作为一种新型洁净能源的转换设备,因具有装置简单、体积小、携带方便、能量密度高等优势而受到广泛关注。但是,燃料电池阴极氧还原反应动力学缓慢以及高Pt价格和低铂利用率,严重阻碍了其大规模应用的商业化进程。中科院长春应化所徐维林课题组从成本和性能的角度出发,制备了一系列高效、低成本单原子非铂和单原子铂氧还原催化剂。

这些关于高效单原子锌和单原子铂氧还原电催化剂的系列工作为目前制备廉价高效燃料电池阴极电催化剂提供了一个全新的研究思路。

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徐维林团队与合作者利用廉价的炭黑和锌前驱体,简易地制备了廉价的单原子锌基氧还原电催化剂,该催化剂展现出和商业碳载铂相媲美的氧还原性能,并具有很好的稳定性。高角环形暗场扫描隧道显微镜证实该锌基催化剂中的锌主要是以单原子锌存在,而扩展的X-射线吸收近边谱证实单原子锌的主要存在方式为Zn-N4。进一步的理论计算表明该单原子锌催化剂的高催化活性主要来源于Zn-N4结构。并且,该团队还与他人合作,详细报道了一种廉价炭黑负载的高性能(高活性、高稳定性及抗毒化能力)的单原子Pt电催化剂。

燃料电池作为一种新型洁净能源的转换设备,因具有装置简单、体积小、携带方便、能量密度高等优势而受到广泛关注。然而,燃料电池阴极氧还原反应动力学缓慢以及高Pt价格和低铂利用率,严重阻碍了其大规模应用的商业化进程。中科院长春应化所徐维林课题组从成本和性能的角度出发,制备了一系列高效、低成本单原子非铂和单原子铂氧还原催化剂。
相关成果发布于《先进功能材料》、《自然通讯》。

图1.单原子Zn基氧还原电催化剂的性能,形貌表征以及机理预测

徐维林团队与合作者利用廉价的炭黑和锌前驱体,简易地制备了廉价的单原子锌基氧还原电催化剂,该催化剂展现出和商业碳载铂相媲美的氧还原性能,并具有很好的稳定性。高角环形暗场扫描隧道显微镜证实该锌基催化剂中的锌主要是以单原子锌存在,而扩展的X-射线吸收近边谱证实单原子锌的主要存在方式为Zn-N4。进一步的理论计算表明该单原子锌催化剂的高催化活性主要来源于Zn-N4结构。

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同时,该团队还与他人合作,详细报道了一种廉价炭黑负载的高性能(高活性、高稳定性及抗毒化能力)的单原子Pt电催化剂。

该团队与中科院上海应用物理研究所姜政课题组、中科院物理研究所谷林课题组合作,利用廉价的炭黑和锌前驱体,简易地制备了廉价的单原子锌基氧还原电催化剂,该催化剂展现出和商业碳载铂相媲美的氧还原性能,并具有很好的稳定性。高角环形暗场扫描隧道显微镜(HAADF-STEM)证实该锌基催化剂中的锌主要是以单原子锌存在,而扩展的X-射线吸收近边谱证实单原子锌的主要存在方式为Zn-N4。进一步的理论计算表明该单原子锌催化剂的高催化活性主要来源于Zn-N4结构。反应机理研究发现Zn-N4位点上O原子中间体的吸附是该反应的决速步骤

图2.单原子Pt基氧还原电催化剂的形貌、电池性能以及机理预测

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该系列工作获得973项目、自然科学基金和“青年千人计划”等项目支持。

同时,该团队与中科院长春应用化学研究所副研究员王颖、中科院上海应用物理所姜政以及中科院大连化学物理研究所研究员孙公权合作,详细报道了一种廉价炭黑负载的高性能(高活性、高稳定性及抗毒化能力)的单原子Pt电催化剂。以该催化剂作为阴极的酸性单电池能量密度高达680mWcm-2,相当于Pt在燃料电池中的利用率为0.13gPtkW-1,这也是目前文献中报道的燃料电池中最高的铂利用率。通过实验和理论计算相结合,该工作还进一步揭示其超高性能主要来源于碳载体上吡啶氮锚定的单原子铂位点,该位点的电催化特性能很好地解释催化剂的高活性、高稳定性和高的抗毒化能力。

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