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丁维平教授课题组在燃料电池催化剂研究上取得重要进展

科学研究

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丁维平教授课题组在燃料电池催化剂研究上取得重要进展

分类:
科研进展
作者:
来源:
2019/01/31 09:52
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【摘要】:
燃料电池中阴极侧氧还原催化剂目前最可靠的材料仍是金属铂,其成本、活性和稳定性是制约燃料电池产业化的主要因素之一,这使得降低以至完全不用铂的研究方兴未艾。在对传统催化剂长期研究积累的基础上,丁维平教授领导的介观催化研究团队提出新型三元异质结构低铂催化剂,Pt/CNx/Ni,其中Pt与Ni被石墨化的CNx层隔开。该结构具有以下优势:(1)Pt、CNx、Ni三者相匹配的能带结构使得底层Ni的电子通过CN

燃料电池中阴极侧氧还原催化剂目前最可靠的材料仍是金属铂,其成本、活性和稳定性是制约燃料电池产业化的主要因素之一,这使得降低以至完全不用铂的研究方兴未艾。

在对传统催化剂长期研究积累的基础上,丁维平教授领导的介观催化研究团队提出新型三元异质结构低铂催化剂,Pt/CNx/Ni,其中Pt与Ni被石墨化的CNx层隔开。该结构具有以下优势:(1) Pt、CNx、Ni三者相匹配的能带结构使得底层Ni的电子通过CNx层传递给外层Pt, 使得Pt催化氧还原反应速率大大增加;(2) 金属Ni被石墨化的CNx层包覆,避免了其因与外界的氧化与腐蚀环境接触而流失;(3) 得到金属Ni调制的CNx层与Pt之间有更强的相互作用,缓解了Pt在使用中的脱落和团聚;(4)  CNx为Pt所提供的富电子环境减弱了Pt的氧化与溶解。上述因素的共同作用使得该三元异质结构催化剂Pt/CNx/Ni的质量比活性和表面积比活性分别为商业催化剂的7.8和4.9倍,催化剂研究结果见图1。实验表明,该催化剂在铂用量、电化学活性、稳定性等关键性能指标上全面达到了美国能源部提出的应用标准。

该研究团队将在后续工作中继续对该类型催化剂进行研究,并与工业部门展开合作,推进该催化剂的规模合成与实际应用。

该工作以“ Ternary Heterostructural Pt/CNx/Ni as a Supercatalyst for Oxygen Reduction”为题,于2018年底发表在Cell出版社旗下iScience (https://doi.org/10.1016/j.isci.2018.12.029)科学期刊上。2016级博士生陈腾为该文的第一作者,丁维平教授,赵斌副教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家科技部、国家自然科学基金和南京黑泰催化剂有限公司的资助。

1. (1000*305)三元异质结构Pt/CNx/Ni催化剂的制备、结构与催化性能:a.合成过程;b. 界面处肖特基结与电子传递方向;c.形貌及Pt的粒径分布;d.性能和50,000次循环稳定性

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