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燃料電池陰極催化劑研究取得突破

2026-04-12 08:39:084257

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(fang)PtPb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、diwenqidongkuaidengyoushi，qingnengranliaodianchibeirenweishitidaineiranjidezuilixiangqichedongli。muqian，shijiezhuduoqichejutoudouyikaifachugezipinpaideranliaodianchiqiche，youqiyiribenfengtiangongsideMirai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