新型納米結構推動燃料電池電極催化劑的發展

莊林

(武漢大學化學與分子科學學院，化學電源材料與技術湖北省重點實驗室，武漢430072)

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新型納米結構推動燃料電池電極催化劑的發展

莊林

(武漢大學化學與分子科學學院，化學電源材料與技術湖北省重點實驗室，武漢430072)

［Highlight］

www.whxb.pku.edu.cn

燃料電池是一種不受卡諾循環限制、清潔高效地將化學能轉化為電能的能源轉換裝置。電催化劑是燃料電池的核心部件，在很大程度上決定了最終的放電性能。目前，碳載納米鉑(Pt/C)是最被廣泛使用的燃料電池陽極燃料氧化反應和陰極氧氣還原反應(ORR)的電催化劑。然而，Pt/C高成本、低活性和低穩定性的特點嚴重制約了燃料電池技術的商業化進程。近年來，研究人員試圖通過對納米材料微觀結構的精細調控來解決以上問題，取得了極大的進展1－3。

相比于零維的鉑納米顆粒，一維的鉑基納米材料(如納米線、納米管等)由于其各向異性、高比表面積和高傳導率等特征具有更高的電催化性能。已有研究表明，一維納米材料的直徑對催化性能有較大影響。比如，用傳統方法合成的粗納米線幾乎都是光滑的晶面，雖有利于催化劑的穩定性，卻不利于催化活性；而較細的納米線則面臨穩定性不高的問題4。

Nature Communications最近刊出了北京大學郭少軍教授課題組和蘇州大學黃小清教授課題組的相關研究成果5。通過簡易可批量化的油相合成方法，他們首次制備了一種具有層次表面的PtCo合金納米線。與以往報道的納米線不同，該材料具有有序合金相、高指數晶面和富Pt表面，使其具有極高的甲醇/乙醇氧化(MOR/EOR)活性和ORR活性。該PtCo合金納米線具有目前PtCo系列催化劑最高的ORR活性，在0.9 V時的比質量活性高達3.71 A·mg－1，是商業Pt/C催化劑的33.7倍。除此之外，該材料還具有較好的電化學和熱穩定性。

為徹底擺脫貴金屬Pt對燃料電池催化劑的束縛，該研究團隊亦開展了用更廉價的Pd替代Pt的研究。他們結合油相合成和低溫熱處理研制了一系列基于PdCu的有序化合金納米材料。其中，結構有序的PdCuCo樣品表現出最高的EOR和ORR催化性能，且超過商業Pt/C和Pd/C催化劑。通過密度泛函理論計算發現PdCuM納米顆粒表面的hollow sites是ORR的活性中心，較小原子半徑的Cu、Co或Ni對表面Pd原子的配位效應和收縮張力效應是催化活性得到提高的關鍵。該工作近期發表于Angewandte Chemie International Edition6。

References

(1)Chen,C.;Kang,Y.J.;Huo,Z.Y.;Zhu,Z.W.;Huang,W.Y.;Xin, H.L.;Snyder,J.D.;Li,D.G.;Herron,J.A.;Mavrikakis,M.; Chi,M.F.;More,K.L.;Li,Y.D.;Markovic,N.M.;Somorjai,G. A.;Yang,P.D.;Stamenkovic,V.R.Science 2014,343,1339. doi:10.1126/science.1249061

(2)Zhang,L.;Roling,L.T.;Wang,X.;Vara,M.;Chi,M.;Liu,J.; Choi,S.I.;Park,J.;Herron,J.A.;Xie,Z.;Mavrikakis,M.;Xia, Y.N.Science 2015,349,412.doi:10.1126/science.aab0801

(3)Escudero-Escribano,M.;Malacrida,P.;Hansen,M.H.;Vej-Hansen,U.G.;Velazquez-Palenzuela,A.;Tripkovic,V.;Schiotz, J.;Rossmeisl,J.;Stephens,I.E.L.;Chorkendorff,I.Science 2016,352,73.doi:10.1126/science.aad8892

(4)Guo,S.J.;Zhang,S.;Sun,S.H.Angew.Chem.Int.Ed.2013,52, 8526.doi:10.1002/anie.201207186

(5)Bu,Z.L.;Guo,S.J.;Zhang,X.;Shen,X.;Su,D.;Lu,G.;Zhu, X.;Yao,J.L.;Guo,J.;Huang,X.Q.Nat.Commun.2016,7, 11850.doi:10.1038/ncomms11850

(6)Jiang,K.Z.;Wang,P.T.;Guo,S.J.;Zhang,X.;Shen,X.;Lu,G.; Su,D.;Huang,X.Q.Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,1. doi:10.1002/anie.201603022

10.3866/PKU.WHXB201607061