中國科大等面向燃料電池應用的催化材料設計取得新進展

文章來源：中國科學技術大學                                                                                                                發(fā)布時間：2015-05-26  

   近日，中國科學技術大學教授熊宇杰課題組與新加坡南洋理工大學David Lou研究組合作，研究表明為實現(xiàn)高電催化性能，并非需要在催化劑表面具有大面積的高指數(shù)晶面覆蓋度，該工作為電催化材料設計提供了新的視角，研究成果發(fā)表在《德國應用化學》。論文的共同第一作者是中國科大博士生馬亮、高級工程師王成名和南洋理工大學博士后Bao Yu Xia。

　　氧還原反應因其在質子交換膜燃料電池中的重要性，已經引起了極大關注。該反應是一個較慢的過程，同時過電勢通常能達到300mV左右，因此需要通過設計催化劑來提高該反應的活性。金屬鉑具有穩(wěn)定的高性能，已被廣泛用來催化氧還原反應。與常見的基礎晶面相比，高指數(shù)晶面具有更多的臺階面和未配位飽和原子，從而展現(xiàn)出更高的催化活性。然而在電催化體系中，是否催化劑表面的高指數(shù)晶面覆蓋度與電催化性能之間具有特定的關系尚未清楚。這一規(guī)律的闡明首先需要在材料合成上構造一系列具有可控高指數(shù)和基礎晶面比例的納米結構。

　　針對該挑戰(zhàn)，熊宇杰課題組基于先前發(fā)展的具有{311}高指數(shù)晶面的鉑多足分形結構（ACS Nano 2012, 6, 9797），發(fā)展了一種鎳離子欠電位沉積的合成路線，實現(xiàn)了從多足分形結構表面的{311}高指數(shù)晶面向立方分形結構表面的{100}基礎晶面的逐步演變。中國科大教授武曉君課題組進而通過理論模擬，揭示了鎳離子在鉑納米晶體結構轉變過程中的表面能調控作用。

　　基于該系列具有不同{100}晶面覆蓋度的演變產物，研究人員通過系統(tǒng)的電化學與電子顯微學表征，揭示了鉑立方分形結構的平整表面有利于降低與電極的接觸電阻，而其交界處的少量{311}高指數(shù)晶面賦予其活性位點。二者協(xié)同作用使得該主要覆蓋{100}晶面的立方分形結構展現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原活性，優(yōu)于具有更高{311}表面覆蓋度的中間演變產物。這一“結構細節(jié)決定電催化性能”的發(fā)現(xiàn)將為未來電催化材料設計發(fā)展提供重要實驗依據(jù)。

   上述研究工作得到了國家自然科學基金、國家青年千人計劃、中科院百人計劃、校重要方向項目培育基金等項目的資助。

鉑納米晶體的結構轉變與相應電催化性能比較