氢能燃料电池( P EMFC ) 具有绿色低碳的优点, 是应对未来气候变化、能源需求 剧增 等挑战 的 重要 手段 之一。作为 P EMFC 阴极反应的关键过程,氧还原反应( ORR ) 的效率 决定 电池 的性能、寿命与成本 ,而铂( Pt ) 基催化剂是燃料电池中促进这一反应的常用催化剂 。 目前,在商业使用的碳载铂( Pt/C )催化剂中, Pt 活性组分多无序分布于碳载体表面, 导致 活性位点分布不均;在燃料电池 工作 过程中, Pt 与载体的相互作用降低,造成 Pt 纳米颗粒 的 脱落、迁移与团聚,导致 P EMFC 的 性能衰减。
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中国科学院 广州能源研究所制氢与利用 研究室 基于分子自组装方法, 以吡啶 N 结构的嵌段共聚物( B CP )为结构导向剂,原位络合 Pt 前驱体,与碳源模板剂自组装,经过碳化、表面改性和还原等后处理手段,得到高度有序的三维蜂窝状 Pt 基介孔纳米材料( Pt /N-OHC )。研究表明, Pt /N-OHC 作为一种可控高维度介孔材料,兼具小尺寸效应、表面效应等纳米尺度 的 特有性质和长程有序宏观性质。蜂窝结构的催化剂层厚度较 小 , Pt 活性位点层次分布于孔道表面和垂直孔的边界, 符合 Middelman 关于理想电极催化层的设定 ,有利于活性位点的充分利用和多相反应物质的传输。研究进一步发现,有序多孔蜂窝结构来源于自组装的结构控制,而 Pt 组分与蜂窝结构中的 N 通过金属 - 载体间强相互作用( MSI )形成 的 Pt -N 配位键 能够 抑制 Pt 迁移团聚,提高 Pt 活性组分稳定性 ,其 本身还可以作为活性位点,有效降低 O RR 反应中的能垒。同时 ,研究调整 B CP 自组装过程中的参数,可以实现 Pt 活性组分从单原子到超细纳米颗粒( 粒径低至 2.5 nm )的控制和蜂窝结构的厚度控制( 20 nm- 60 nm ) ,从而更好地调控 O RR 电催化活性。
相关 研究成果以 Three-Dimensional Ordered Honeycomb Nanostructure Anchored with Pt-N Active Sites via Self-Assembly of Block Copolymer: An Efficient Electrocatalyst towards Oxygen Reduction Reaction in Fuel Cells 为题,发表在 Journal of Materials Chemistry A 上 。研究工作得到中 科 院 STS 重点项目和广州市科技计划项目的支持。 中科院 沈阳金属 研究 所科研人员参与研究。
论文链接
3 D 有序蜂窝状多孔结构负载 Pt 活性组分及其 O RR 电催化性能研究
【来源:广州能源研究所】
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