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據《自然·通訊》(Nature Communications)在線發表化學與分子科學學院莊林、肖麗課題組關于堿性聚合物電解質燃料電池(APEFC)非貴金屬催化劑的最新研究成果。 論文題為“Synergistic Mn-Co catalyst outperforms Pt on high-rate oxygen reduction for alkaline polymer electrolyte fuel cell”(《高效協同錳鈷催化劑對堿性聚電解質燃料電池的氧還原性能優于鉑》),第一作者汪瀛是莊林教授的博士生。 APEFC是一類新型燃料電池,其特點是可使用非貴金屬催化劑,有望大幅降低造價,解決我國目前車用燃料電池關鍵材料依賴進口的“卡脖子”問題。3年前,該課題組在研究MnCo尖晶石(MCS)催化劑時發現:雖然在溶液中MCS對氧還原反應(ORR)的催化活性低于鉑(Pt)催化劑,但在電池中的表現卻不遜于Pt,甚至在低濕度條件下明顯優于Pt電極。在隨后一年時間中,課題組結合多種譜學和計算方法,全面揭示了這一新奇發現背后的機理。在APEFC陰極,水分子參與ORR但并非大量存在,因此水分子的活化成為一個關鍵因素。在MCS催化劑中,Mn與Co分別扮演著不同的角色,Mn活化O2而Co活化H2O,協同催化伴隨質子轉移的電極反應。這種機理是相對憎水的Pt表面所缺乏的。 該發現不僅揭示了燃料電池催化劑設計的一個重要原理,而且使APEFC非貴金屬陰極性能達到一個高水平,60oC下單電池功率密度達1.1W/cm2。可以預見,這一研究進展將有力推動APEFC的實用化進程。在這一領域,莊林課題組自2008年在《美國國家科學院院刊》報道首例非貴金屬催化劑APEFC原型以來,在材料和催化等方面的研究不斷取得進展,堿性聚電解質這一關鍵材料開始走向商品化。 該工作得到美國康奈爾大學Héctor D. Abruña教授、武漢大學物理科學與技術學院王建波教授、臺灣科技大學黃炳照教授等合作者在同步輻射光源譜學和球差校正透射電鏡測試方面的幫助 |