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mg真人平台水江澜教授课题组在《Nature Catalysis》上报道超高性能铁基燃料电池催化剂

发布时间:2019-03-07  浏览次数:

2019年3月4日,《Nature Catalysis》发表了我校mg真人平台水姜堰教授在燃料电池非铂催化剂领域的最新进展。 “具有致密活性位点和高效质量传递的Fe-N-Ce电催化剂用于高性能质子交换膜燃料电池”(用于高性能质子交换膜燃料电池的高密度活性位点和铁 - 氮 - 碳电催化剂的有效传质)。本研究制备了凹面Fe-N-C单原子催化剂,显着提高了催化剂在电极中的活性部位利用率和传质能力,实现了非铂催化剂燃料电池性能的新记录,美国能源部(US DOE)为2018年的活动目标设定了非铂催化剂。 质子交换膜燃料电池是一种很有前途的可持续能量转换装置,可以有效地将储存在燃料中的化学能转化为电能。它是目前唯一有望用于商用车辆的燃料电池。然而,其商业开发受到高铂催化剂的限制。因此,低成本非铂催化剂的开发是电催化领域的热门研究课题。最活跃的非铂催化剂是铁 - 氮(Fe/N)共掺杂碳纳米材料催化剂(Fe-N-C)。尽管Fe-N-C催化剂取得了很大进步,但其性能远远低于Pt基催化剂,这对于实际应用仍然不够。随着原子级表征技术的发展,已经认识到原子级分散的FeNx位点是最可能的活跃中心;基于此,以前的研究通常希望增加催化剂中的Fe含量(FeNx位点浓度)。然而,研究表明,增加催化剂的活性,催化剂的活性与Fe含量之间没有简单的比例关系。 通过长期探索,姜江燕教授认识到Fe-N-C催化剂活性位的利用率低是限制电池性能的主要因素,催化剂的孔结构是影响活性部位利用的关键。基于对Fe-N-C催化剂活性增强机制的深入了解,电池器件性能的突破仍将面临挑战。基于以上知识,他们设计并制备了具有大的外部比表面积的凹面Fe-N-C纳米粒子催化剂,其不仅具有高的FeNx位点密度,而且与常规催化剂相比还具有显着的电池改进。活动站点利用率。由于上述优点,该催化剂具有前所未有的氢/氧燃料电池性能,电流密度高达47 mA cm-2,无噪声0.88,这是美国能源部(US DOE)首次设定2018年非铂催化剂的目标活性为44 mA cm-2; 0.9 ViR-free的电流密度为22 mA cm-2,测量的最终功率为1.18 W cm-2,这是报告的最高值。该工作阐明了非铂催化剂的性能增强机理,设计并制备了有效的催化剂配置,对今后开发高性能非铂催化剂具有重要的指导意义。自1999年成立以来,水姜堰教授一直致力于开发氢/氧质子交换膜燃料电池用非铂催化剂。他对如何提高非铂催化剂的活性和稳定性进行了深入而系统的研究。重要结果。 开发了Fe-NC单原子催化剂的大规模绿色固相合成方法,首次采用单原子催化剂制备了质子膜燃料电池,提高了Fe-NC催化剂的电池活性(Angew.Chem。 Int.Ed.Eng.2018,57,1204-1208);发明Pt原子接枝法以提高Fe-N-C催化剂的稳定性并使电池的稳定性加倍(Adv.Energy Mater.1188,8,1701345);锯齿型缺陷碳比金属催化剂具有更稳定的燃料电池性能,为开发高稳定性非铂催化剂燃料电池提供了新思路(Nat.Commun.12012,8,3819)。 2017年mg真人平台万鑫副教授和刘晓芳副教授是该论文的共同第一作者。华中科技大学mg真人平台徐明教授是该论文的合着者。北航参与这项工作还包括王海的高级实验员和博士生李永成教授荣海海教授。此外,催化剂活性中心的原子级分析得到了国家同步辐射实验室研究员严文生和中国科学院高能研究所研究员郑立荣的大力支持。日本工业技术研究院(AIST)的Don N. Futaba博士就论文的撰写提供了宝贵的意见。该研究由国家千人计划青年人才计划,国家自然科学基金项目(No. 21673014),教育部111计划(No. B17002)和北航高级人才支持计划资助。文章链接:https://doi.org/10.1038/s41929-019-0237-3