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燃料電池陰極催化劑研究取得突破

2026-04-12 09:48:204258

近日，北京大學和蘇州大學、美國Brookhavenguojiashiyanshixiangguanyanjiurenyuandelianhetuanduizairanliaodianchiyinjigaoxiaoyanghaiyuancuihuajideyanjiuqudezhongdatupo。gaigongzuoshouxiantongguohuaxueyouxianghechengbingjingxibiaozhenglejuyouteshujiegoudeliufangPtPb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)miandecuihuaxingnengyoudadecujinzuoyong。zheyiquanxinhuoxingweidiandetichutupoleguoqurenmenduijinggeyinglizuoyongdechuantonglijie，weigaoxingnengdiancuihuacailiaodeshejihekaifazhichulexinfangxiang。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deMirai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