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《Science》刊發華中科技大學夏寶玉教授課題組與我校黨岱副教授合作的最新研究成果
2019年11月28日  瀏覽量: 來源:輕工化工學院 編輯:朱小翠

本網訊 11月15日,國際頂級學術期刊《Science》以研究長文形式刊發題目為<<Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells>>的研究論文,我校輕工化工學院黨岱副教授是該論文的合作者之一,此篇論文是我校輕工化工學院首次在《Science》上發表研究論文。該文第一作者田新龍教授是我院2013年畢業的碩士研究生。

該文闡述了在高性能和高穩定性鉑合金催化劑的最新研究成果,通過對鉑基催化劑的近表面結構和組分進行調控,實現高穩定性一維結構和高活性的合金空心結構等特征的有效結合,從而大幅改善了鉑鎳合金催化劑在實際氫-氧燃料電池器件中的輸出功率和使用壽命。當前,經濟社會的高速發展使得開發新能源轉換技術勢在必行。氫能具有無污染和零碳排放等特點,是公認的清潔能源。近年來,我國和美國、日本、加拿大、歐盟等先后制定了氫能發展規劃。我國有望成為氫能技術和應用領先的國家之一,也被國際公認為最有可能率先實現氫燃料電池和氫能汽車產業化的國家。氧還原反應是氫氧燃料電池和金屬-空氣電池等新能源技術的核心反應,需要價格昂貴、資源稀缺的貴金屬鉑作為催化劑來克服較為遲緩氧還原反應動力學。因此,研發低成本、高活性和高穩定性的氧還原催化劑是發展燃料電池等能源技術的關鍵。近年來,高效鉑基催化劑的性能已經取得極大的突破,而對催化劑穩定性,特別是電池及器件穩定性的研究仍然較少。針對上述難題,田新龍教授采用(電)化學腐蝕方法對鉑基催化劑的近表面結構和組分進行調控(圖1),實現了鉑鎳合金催化劑在實際氫-氧燃料電池高性能。

圖1.鉑鎳合金結構、形貌和制備示意圖

該催化劑的質量活性和比活性達到3.52 A mgPt-1and 5.16 mA cmPt-2,是目前商業鉑催化劑的15倍以上。更加令人振奮的是,該催化劑展示出極為優異的催化穩定性,經過連續5萬圈循環測試后,其質量活性只衰減了1.3%。此外,以該催化劑組裝的燃料電池也展示出優異的性能和穩定性(圖2)。原位X射線同步輻射吸收光譜和理論計算表明,這種催化劑結構有利于優化氧還原過程中的鉑氧物種吸附強度,在改善氧還原催化性能的同時,亦能保持催化劑的較高性能和結構穩定性。

這項工作為合理設計低成本、高活性和高穩定性鉑合金催化材料提供了一種有效的策略,將有助于改善鉑合金催化材料在新能源器件中的服役水平和壽命,對發展新能源技術具有十分重要的意義。日本電氣通信大學趙曉博士和荷蘭埃因霍溫理工大學蘇亞瓊博士為論文共同第一作者,華中科技大學化學與化工學院夏寶玉教授是該工作通訊作者,新加坡南洋理工大學樓雄文教授為該工作的共同通訊。

圖2.鉑鎳合金催化性質和氫-氧燃料電池性能

黨岱,博士,碩士生導師,2017年作為我校“青年百人計劃”A層次引進人才加入輕工化工學院。主要從事能量轉化和儲存器件的設計和研發,包括低溫質子交換膜燃料電池、超級電容器、鋰離子電池和金屬空氣電池相關領域的研究,重點開展低鉑、非鉑電催化劑的相關研究,同時包括PEMFC膜電極催化層結構的設計;近5年來在已在ACScatalysis,EnergyStorage Materials, Journal of Power Sources等SCI期刊上發表學術論文20余篇。

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