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科研进展

广州能源研究所等在开发有序多孔高效铂(Pt)基燃料电池催化剂方面取得进展

文章来源:制氢与利用研究室  |  发布时间:2022-05-13  |  【打印】 【关闭

  

  氢能燃料电池(PEMFC具有绿色低碳的优点,是应对未来气候变化、能源需求剧增等挑战重要手段之一。作为PEMFC阴极反应的关键过程,氧还原反应(ORR的效率决定着电池的性能、寿命与成本,而铂(Pt基催化剂是燃料电池中促进这一反应的常用催化剂。目前商业使用的碳载铂(Pt/C)催化剂中,Pt活性组分多无序分布于碳载体表面,导致活性位点分布不均;且在燃料电池工作过程中,Pt与载体的相互作用降低,造成Pt纳米颗粒脱落、迁移与团聚,最终导致PEMFC性能衰减。 

  老云顶的网址-制氢与利用研究室基于分子自组装方法,以吡啶N结构的嵌段共聚物(BCP)为结构导向剂,原位络合Pt前驱体,与碳源模板剂自组装,经过碳化、表面改性和还原等后处理手段得到高度有序的三维蜂窝状Pt基介孔纳米材料(Pt/N-OHC)。研究表明,Pt/N-OHC作为一种可控高维度介孔材料,兼具小尺寸效应、表面效应等纳米尺度特有性质和长程有序宏观性质。蜂窝结构的催化剂层厚度较,Pt活性位点层次分布于孔道表面和垂直孔的边界,符合Middelman关于理想电极催化层的设定,有利于活性位点的充分利用和多相反应物质的传输。研究进一步发现,有序多孔蜂窝结构来源于自组装的结构控制,而Pt组分与蜂窝结构中的N通过金属-载体间强相互作用(MSI)形成Pt-N配位键不仅能够抑制Pt迁移团聚,提高Pt活性组分稳定性,其本身还可以作为活性位点,有效降低ORR反应中的能垒。同时,通过调整BCP自组装过程中的参数,可以实现Pt活性组分从单原子到超细纳米颗粒(粒径低至2.5 nm)的控制和蜂窝结构的厚度控制(20 nm-60 nm,从而更好地调控ORR电催化活性。 

  该研究成果以Three-Dimensional Ordered Honeycomb Nanostructure Anchored with Pt-N Active Sites via Self-Assembly of Block Copolymer: An Efficient Electrocatalyst towards Oxygen Reduction Reaction in Fuel Cells为题,发表英国皇家化学学会(RSC期刊Journal of Materials Chemistry A。研究工作得到中STS重点项目和广州市科技计划项目的支持,中国科学院金属研究所科研人员参与研究。 

  文章链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta00752e 

 

3D有序蜂窝状多孔结构负载Pt活性组分及其ORR电催化性能研究

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