【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】構(gòu)筑高活性質(zhì)子交換膜燃料電池陰極氧還原催化劑并降低貴金屬鉑(Pt)的用量，一直是納米催化劑材料領(lǐng)域研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。碳基過渡金屬單原子催化劑(M-N-C)具有元素利用率高、本征活性強(qiáng)以及成本低、儲(chǔ)量相對(duì)豐富的優(yōu)勢(shì)，在電催化氧還原反應(yīng)過程中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。現(xiàn)階段，M-N-C作為獨(dú)立催化劑，在強(qiáng)腐蝕、高電位環(huán)境下的活性和穩(wěn)定性尚不能滿足燃料電池實(shí)際應(yīng)用的指標(biāo)需求。而已有研究證實(shí)M-N-C作為貴金屬催化劑載體可與Pt等金屬產(chǎn)生協(xié)同催化效果，表現(xiàn)出良好的助催化劑效果。雖然M-N-C作為載體和助催化劑傳質(zhì)效果突出、綜合活性良好，但現(xiàn)有工藝手段想制備出結(jié)構(gòu)單一、物相純凈的高載量M-N-C催化劑載體仍面臨著挑戰(zhàn)，這主要是由于常規(guī)熱解方法等合成策略處理碳氮前驅(qū)體構(gòu)筑M-N-C過程中不可避免的發(fā)生金屬元素聚集、氮揮發(fā)以及配位結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，導(dǎo)致簡(jiǎn)易構(gòu)筑碳載鉑基催化劑頗具挑戰(zhàn)性。注冊(cè)儀表網(wǎng)，馬上發(fā)布/獲取信息
為了實(shí)現(xiàn)利用具有非單原子結(jié)構(gòu)如金屬團(tuán)簇、顆粒和納米氧化物同時(shí)存在的碳基載體構(gòu)筑性能優(yōu)良、穩(wěn)定性突出的氧還原催化劑，中國(guó)科學(xué)院青島能源所研究員梁漢璞帶領(lǐng)的能源材料與納米催化研究組，在生物質(zhì)衍生Fe-N-C，金屬框架聚合物形貌結(jié)構(gòu)調(diào)整以及碳載鉑基合金納米催化劑材料合成工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一步簡(jiǎn)易有效的原位合金化策略，利用多巴胺衍生的同時(shí)具有Fe-Nx、Fe顆粒和FeyOx分布的碳基雜化結(jié)構(gòu)為基底與鉑鹽在一定條件下完成三種鐵源向PtFe合金的有效轉(zhuǎn)變(圖1)。
研究表明，在三相溶液中通過合適的絡(luò)合鹽選擇可以合成具有鐵均勻摻雜的介孔聚多巴胺前驅(qū)體，經(jīng)過后期簡(jiǎn)易碳化處理可以實(shí)現(xiàn)小于10nm介孔的均勻分布，且具有豐富單原子Fe和少量的Fe顆粒、氧化物存在，在不經(jīng)過酸洗的情況下直接作為基底與鉑鹽復(fù)合，經(jīng)過熱處理可以獲得物相純凈的介孔Fe-N-C負(fù)載的PtFe合金納米催化劑(圖2)。
合成的介孔Fe-N-C負(fù)載PtFe催化劑在酸性環(huán)境下半波電位達(dá)到0.925 V vs. RHE，質(zhì)量活性達(dá)到497.5 mA mgPt-1，表現(xiàn)出顯著優(yōu)于商業(yè)在售Pt/C (162 mA mgPt-1)的性能和活性(圖3)。本研究的試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和成果可為更好利用過渡金屬單原子基催化劑載體構(gòu)筑鉑基氧還原催化劑提供了新的研究思路。
相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering上。研究工作得到山東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青島創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才基金、大連化物所-青島能源所兩所融合項(xiàng)目基金以及中國(guó)科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院合作基金的支持。該研究由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所與青島能源所合作完成。
圖1. 介孔Fe-N-C載體合成并通過原位合金化構(gòu)筑PtFe/Fe-N-C催化劑
圖2. 原位合金化合成PtFe/Fe-N-C催化劑氧還原催化活性評(píng)價(jià)
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