研究人員在燃料電池陰極ORR電催化劑上取得突破

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《中國科學報》記者從武漢理工大學獲悉，該校材料科學與工程國際化示范學院劉勇教授團隊在燃料電池陰極氧化還原反應電催化劑的設計研究上取得突破，設計合成出一維各向異性介孔Pt@Pt-skin?Pt?Ni核-殼框架納米線（CSFWs）高效電催化劑，在氧化還原反應中表現出了較高的催化活性與電催化穩定性。相關研究成果近日在線發表于《自然-通訊》上。

Mn3Sn中的磁場誘導線性反常霍爾效應。受訪者供圖

氧化還原反應（ORR）是燃料電池新能源技術的核心反應，是燃料電池實現商業化應用的關鍵，發展新能源體系的高性能催化材料則成為重要的技術挑戰。鉑（Pt）作為目前ORR公認性能最好的電化學催化劑，在地殼中的儲存量少且價格昂貴，這導致了其在燃料電池領域的大規模應用受阻。如何提高Pt催化劑的原子利用率、反應活性和穩定性一直是發展燃料電池等能源技術的核心問題。

目前，材料化學家們主要是通過調控催化劑的微觀結構和化學組分來提高Pt的利用率和催化性能，將Pt和其他廉價金屬如鎳（Ni）、鐵（Fe）等合金化并制備成三維（3D）多孔框架結構是一種很有前途的方法。該方法不僅可以極大降低催化劑中Pt的含量，而且可以最大限度地暴露高活性位點。此外，一維（1D）納米結構由于其固有的各向異性、較高的導電性以及與碳載體存在更大的表面接觸，被認為是提高Pt催化劑穩定性的最有效途徑。

劉勇教授課題組綜合3D多孔納米框架和1D納米各向異性，設計合成出了一維各向異性介孔Pt@Pt-skin?Pt?Ni核-殼框架納米線（CSFWs）高效電催化劑。該催化劑由一維超細Pt納米線（~3 nm）和介孔Pt-skin Pt?Ni框架核-殼異質構筑，具有優異的電催化活性、穩定性和高Pt原子利用率。在ORR催化反應中，該催化劑的質量活性（MA）和比活性（SA）高達6.69A/mgpt和8.42mA/cm2，分別是商用Pt納米催化劑的29倍和26倍；同時催化劑也表現出優異的穩定性，50000次循環后其活性衰減不到3%。

研究成果結合了三維開放的孔結構和一維各向異性的優點，有效地解決了Pt基催化劑在燃料電池陰極氧還原反應（ORR）中的瓶頸問題。