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燃料電池陰極催化劑研究取得突破

2026-04-23 23:27:484349

近日，北京大學和蘇州大學、美國Brookhaven國guo家jia實shi驗yan室shi相xiang關guan研yan究jiu人ren員yuan的de聯lian合he團tuan隊dui在zai燃ran料liao電dian池chi陰yin極ji高gao效xiao氧yang還hai原yuan催cui化hua劑ji的de研yan究jiu取qu得de重zhong大da突tu破po。該gai工gong作zuo首shou先xian通tong過guo化hua學xue油you相xiang合he成cheng並bing精jing細xi表biao征zheng了le具ju有you特te殊shu結jie構gou的de六liu方fangPtPb合金納米片，並評價了該材料的氧還原和醇氧化催化性能，最後基於量化計算結果證明膨脹晶格應力對Pt(110)麵mian的de催cui化hua性xing能neng有you大da的de促cu進jin作zuo用yong。這zhe一yi全quan新xin活huo性xing位wei點dian的de提ti出chu突tu破po了le過guo去qu人ren們men對dui晶jing格ge應ying力li作zuo用yong的de傳chuan統tong理li解jie，為wei高gao性xing能neng電dian催cui化hua材cai料liao的de設she計ji和he開kai發fa指zhi出chu了le新xin方fang向xiang。該合作成果發表在最新一期的國際權威學術期刊《科學》(Science)上，並被同期Science雜誌評為Highlight。

為避免溫室效應所帶來的氣候轉變危機，減少二氧化碳的排放已勢在必行。據統計，全球約有23%的CO2排(pai)放(fang)來(lai)源(yuan)於(yu)交(jiao)通(tong)運(yun)輸(shu)，而(er)其(qi)中(zhong)大(da)部(bu)分(fen)為(wei)汽(qi)車(che)尾(wei)氣(qi)排(pai)放(fang)。因(yin)此(ci)，尋(xun)找(zhao)基(ji)於(yu)清(qing)潔(jie)能(neng)源(yuan)的(de)汽(qi)車(che)動(dong)力(li)技(ji)術(shu)替(ti)代(dai)傳(chuan)統(tong)內(nei)燃(ran)機(ji)可(ke)有(you)效(xiao)解(jie)決(jue)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)過(guo)量(liang)排(pai)放(fang)所(suo)帶(dai)來(lai)的(de)諸(zhu)多(duo)環(huan)境(jing)問(wen)題(ti)。由(you)於(yu)其(qi)高(gao)能(neng)量(liang)密(mi)度(du)、高能源轉換效率、低(di)溫(wen)啟(qi)動(dong)快(kuai)等(deng)優(you)勢(shi)，氫(qing)能(neng)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)被(bei)認(ren)為(wei)是(shi)替(ti)代(dai)內(nei)燃(ran)機(ji)的(de)最(zui)理(li)想(xiang)汽(qi)車(che)動(dong)力(li)。目(mu)前(qian)，世(shi)界(jie)諸(zhu)多(duo)汽(qi)車(che)巨(ju)頭(tou)都(dou)已(yi)開(kai)發(fa)出(chu)各(ge)自(zi)品(pin)牌(pai)的(de)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)汽(qi)車(che)，尤(you)其(qi)以(yi)日(ri)本(ben)豐(feng)田(tian)公(gong)司(si)的(de)Mirai最為引人注目。然而，為保證輸出功率，目前的燃料電池仍需擔載較高的貴金屬Pt作為電催化劑，極大地製約了燃料電池汽車的商業化進程。因此，如何提高目前Pt催化劑的活性同時降低電極中的Pt用量已成為燃料電池技術研究領域的核心課題。

通過實驗和量化計算結果證明，適當地調節催化劑Pt表麵的晶格應力可極大地提高其催化活性。過去研究發現，給Pt表麵施加一個壓縮應力，使Pt原子的間距縮小，可優化Pt的電子結構，使其d帶中心下移，從而降低反應中間體對Pt表biao麵mian的de毒du化hua，提ti高gao反fan應ying整zheng體ti速su率lv。國guo際ji上shang諸zhu多duo研yan究jiu團tuan隊dui也ye基ji於yu壓ya縮suo晶jing格ge應ying力li設she計ji了le諸zhu多duo高gao性xing能neng的de電dian催cui化hua材cai料liao，而er膨peng脹zhang的de晶jing格ge應ying力li則ze往wang往wang被bei認ren為wei對duiPt的催化性能有製約作用。為深入理解電催化中的應力效應，北京大學工學院郭少軍團隊與蘇州大學黃小清課題組、美國Brookhaven國家實驗室Dong Su博士設計開發了一種基於膨脹晶格應力的新型催化劑。實驗結果發現，該催化劑的比質量和麵積活性分別達到了7.8 mA/cm2和4.3 A/mgPt,比商業Pt/C分別高出27和34倍。進一步研究發現，膨脹性應力能減弱含氧中間體對Pt（110）麵上“橋式位點”的吸附強度，進而提高氧還原催化性能。

郭少軍研究員表示：“該(gai)工(gong)作(zuo)將(jiang)對(dui)基(ji)礎(chu)電(dian)催(cui)化(hua)理(li)論(lun)研(yan)究(jiu)和(he)新(xin)型(xing)高(gao)效(xiao)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)電(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)開(kai)發(fa)產(chan)生(sheng)重(zhong)大(da)影(ying)響(xiang)，使(shi)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)得(de)以(yi)認(ren)識(shi)膨(peng)脹(zhang)性(xing)應(ying)力(li)對(dui)電(dian)催(cui)化(hua)的(de)潛(qian)在(zai)影(ying)響(xiang)規(gui)律(lv)，也(ye)為(wei)下(xia)一(yi)代(dai)高(gao)性(xing)能(neng)低(di)成(cheng)本(ben)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)電(dian)催(cui)化(hua)劑(ji)的(de)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)了(le)新(xin)思(si)路(lu)。”

該工作在北京大學、蘇州大學和美國Brookhaven國家實驗室三個單位的緊密合作下完成。郭少軍、Dong Su、黃小青依次為論文的通訊作者。該項目得到北京大學工程科學與技術創新高精尖中心基金、科技部重點研發計劃和國家自然科學基金等支持。

圖1. 新型PtPb電催化劑微觀精細結構分析

圖2. 電催化性能評價及DFT計算各反應位點的氧結合能