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北大工學院郭少軍團隊在《Advanced Materials》上發(fā)表重要成果

作者:學歷在線網(wǎng) 來源:學歷在線網(wǎng) 上傳時間:2019-12-10 16:53:04

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  北大工學院郭少軍團隊在《Advanced Materials》上發(fā)表重要成果

  北京大學工學院郭少軍">郭少軍團隊在燃料電池高性能低鉑電催化劑研究方面取得重要進展。該工作首先合成含有高指數(shù)面的Pt3Fe多級納米線,再通過煅燒得到含有兩個原子層厚的Pt-skin結構,并評估了該材料在酸性介質(zhì)中的氧還原和醇氧化催化性能,最后基于DFT理論計算結果證明含有高指數(shù)面的Pt-skin 表面對反應中間體的吸附能優(yōu)化,有利于電催化反應的進行。該工作首次將Pt-skin 和高指數(shù)面結合,在催化劑活性和穩(wěn)定性方面有了很大提升,為高性能電催化材料的設計和開發(fā)指出了新方向。合作成果以“研究通訊”的形式發(fā)表在最新一期國際權威學術期刊《先進材料》(Advanced Materials)上(doi: 10.1002/adma.201705515)。

  質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton exchange membrane fuel cells, PEMFCs)有利于解決目前全球性的能源短缺,環(huán)境污染及氣候變化等問題,被認為是替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機的理想動力供應設備。然而,PEMFCs的商業(yè)化應用受限于其較高的Pt負載量用于催化電極反應的進行,尤其是陰極動力學緩慢的氧還原反應(Oxygen reduction reaction, ORR)。因此,設計及合成低Pt用量高催化活性的電催化劑至關重要。提高ORR活性的一個有效策略是將過渡金屬(M)與貴金屬Pt 合金,通過配體和應力效應來調(diào)控其近表面組份。研究表明,具有三明治結構的Pt-skin對ORR的催化性能卓越;同時,Pt的高指數(shù)晶面也較其它低指數(shù)晶面有更高的催化活性。若能結合以上兩種結構特征,勢必會進一步促進電催化反應的進行。然而,如何實現(xiàn)該結構的合成仍是一個巨大挑戰(zhàn)。為解決這一問題,北京大學工學院郭少軍">郭少軍團隊設計開發(fā)了一種新型合成路線,得到了具有Pt-skin結構和高指數(shù)晶面的一維納米線結構。物理表征結果證實,所得鋸齒狀一維Pt3Fe納米線表面形成了約兩個原子層厚的Pt-skin結構。電化學實驗表明,該催化劑的比質(zhì)量和面積活性分別達到了4.34 mA cm?2 和2.11 A mg?1,比商業(yè)Pt/C分別高出16.7 和13.2倍,且具有極為卓越的電化學穩(wěn)定性。進一步計算研究發(fā)現(xiàn),這種獨特結構所表現(xiàn)的配位和應力效應能夠優(yōu)化氧吸附能,從而大大提高催化活性。該工作將對電催化理論研究和新型高效燃料電池電催化劑的開發(fā)具有指導意義,也為下一代高性能低成本電催化劑的結構設計提供了新思路。

  該工作由北京大學工學院郭少軍">郭少軍團隊完成。郭少軍">郭少軍為論文的通訊作者,博士后駱明川和聯(lián)合培養(yǎng)博士生孫英俊為共同第一作者。該項目得到國家自然基金和科技部重點研發(fā)計劃等項目支持。

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