近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室、潔凈能源國家實驗室（籌）李燦院士研究團隊在太陽能光-電轉化和燃料電池化學能-電能轉化交叉領域取得新進展，發現光催化可以顯著促進氧還原反應（ORR）的催化活性，并基于此提出了聚合物太陽能電池和H2-O2燃料電池耦合的疊層電池概念，相關研究成果以通訊形式發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）期刊上（DOI:10.1002/anie.201607118)(文章第一作者為華南理工大學聯合培養博士生張丙青)。
H2-O2燃料電池能將氫氣直接高效轉化為可廣泛應用的電能，同時產生對人類生存環境友好的水分子，是先進可持續清潔能源體系發展的重要方向之一。其中，陰極的ORR是H2-O2燃料電池的控速反應（尤其對質子膜燃料電池PMFC），直接關系到整個電池的開路電位和輸出功率。貴金屬鉑是ORR最好的催化劑，但是較高的成本嚴重制約了燃料電池技術的發展和商業化進程。為了解決這個問題，世界范圍內大量的研究者致力于開發替代Pt或降低Pt用量的催化劑，如Pt合金、Pt核殼結構催化劑、C基催化劑等；但是，截至目前，催化ORR的過電位仍然需要至少0.2V左右。因此，發展降低O2活化過電位和提高ORR反應活性的新催化策略和新思路十分重要。
在該工作中，研究人員將光催化引入ORR，發現采用聚合物半導體光催化劑、光照可顯著促進ORR的電催化活性，起始電位由0.66V正移到1.34V（遠遠超過商業鉑催化劑的1.0V），且電流在0.6V時增大了44倍。由此構建的光驅動概念型H2-O2燃料電池中，光照使燃料電池的開路電壓從0.64V增大到1.18V，短路電流增大1倍。光催化使半反應ORR和全電池反應的電位分別增大0.68V和0.54V，且該電壓值與目前研究的大多數聚合物太陽能電池的電壓（0.6-0.8V）相接近。光驅動概念型H2-O2燃料電池可被認為是聚合物太陽能電池和H2-O2燃料電池疊層耦合的結果。光促進分子氧還原的機理可能是光激發聚合物的電子從價帶到導帶，導帶上激發態的電子具有足夠的電勢轉移填充到氧分子的反鍵軌道（2p*，2s*），從而使氧還原反應更加容易。該研究結果為解決燃料電池ORR反應動力學問題開拓了新的思路，顯示出潛在的應用價值。
該工作得到了科技部“973”項目、國家自然科學基金以及教育部2011協同創新中心（iChEM）太陽能研究項目的支持。
大連化物所光催化輔助燃料電池ORR研究取得新進展
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