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《Science》報(bào)道上交大等開發(fā)出新型超低鉑ORR催化劑

文章來源：未知更新時(shí)間：2018-11-12 09:27:16

據(jù)悉，11月9日，國際頂級期刊《Science》在線發(fā)表了美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室種麗娜博士、劉迪嘉研究員（通訊作者）、普渡大學(xué) Jeffery Greeley教授、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院輕合金中心鄒建新教授、丁文江院士等人的合作研究論文：Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell （ http://science.sciencemag.org/content/early/2018/11/07/science.aau0630 ）。

該文章針對目前氫燃料電池汽車的膜電極（MEA）用氧還原（ORR）催化劑鉑含量高，價(jià)格昂貴的問題，開發(fā)了一種新型的超低鉑ORR催化劑，不僅具有超高的催化活性（1.77A／mg Pt@0.9V ，4倍于DOE 2020 目標(biāo)0.44A／mg Pt@0.9V ），極低的鉑含量（0.033mg pt／cm2），而且可在氫燃料電池環(huán)境中耐受30000次以上電化學(xué)循環(huán)測試。本研究從Co基沸石咪唑結(jié)構(gòu)框架材料（MOF）出發(fā)，在含鉑、氨環(huán)境中進(jìn)行熱處理，獲得了具有Co、N摻雜的石墨烯結(jié)構(gòu)基底（Co-Nx-Cy），并在該基底上生長出以Pt-Co合金為核心，4-5層Pt原子為殼層的納米粒子（ Pt-Co@Pt ）。以往的研究表明，Co-Nx-Cy基底自身具有ORR活性，但是其活性位點(diǎn)易遭到ORR過程中間產(chǎn)物H2O2的攻擊而失去催化活性。基于第一性原理的計(jì)算顯示，Pt與Co-Nx-Cy基底上的活性位點(diǎn)Co-N4基團(tuán)具有較強(qiáng)的相互作用，Co-N4基團(tuán)上產(chǎn)生的H2O2可轉(zhuǎn)移至 Pt-Co@Pt 納米顆粒上從而被分解，這種協(xié)同作用使得無鉑基底與含鉑納米粒子共同產(chǎn)生強(qiáng)ORR效果，并具有長時(shí)間的催化穩(wěn)定性。該項(xiàng)研究表明，使用新型超低鉑催化劑可將100kW級燃料電池汽車的鉑用量控制在3g以內(nèi)（業(yè)界最高水準(zhǔn)的豐田Mirai氫燃料電池用鉑量約20g），已非常接近普通燃油汽車尾氣三元催化劑的鉑用量水平（～0.25-3g），這為氫燃料電池汽車的大規(guī)模推廣奠定了基礎(chǔ)。本研究部分得到了材料基因組國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YBF0701200）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51771112）的資助。

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