燃料电池氧还原电催化剂研究取得重要进展

近日，纳米材料领域国际顶级期刊ACS Nano在线发表华中科技大学化学化工学院王得丽教授研究团队研究成果《Golden Palladium Zinc Ordered Intermetallics as Oxygen Reduction Electrocatalysts》。论文第一作者为2015级博士生肖卫平和美国康奈尔大学的博士生杨尧，王得丽教授为论文唯一通讯作者，华中科技大学为唯一通讯单位。

清洁、高效、可持续能源存储与转换装置势必在未来能源架构中占据重要地位。其中燃料电池、金属-空气电池等以其操作简单、高效环保等诸多优点在可移动电源领域备受关注。但目前该类电池商业化应用仍然面临不少问题，比较突出的是电池阴极的氧气还原反应(0RR)动力学反应速率缓慢，极化过电位大造成了电池输出功率和效率的大幅降低。寻求高效、稳定且廉价的阴极催化剂是电池走向商业化应用的关键所在。王得丽教授团队致力于低铂、非铂类催化剂的设计开发以及构-效关系研究，期望通过理论设计和先进的物理表征手段解析催化剂的结构参数，结合实验研究揭示构建材料的构-效关系，为相关催化剂的设计、应用提供指导和依据。本研究采用简单的浸渍还原法以及后续的高温处理制备出表面富Pd(5-6个原子层厚度)的有序PdZn(O-PdZn)纳米催化剂。碱性环境下ORR测试结果表明，相比于Pd/C和Pt/C，该催化剂表现出3倍的质量活性提升。为了更好地提升其循环稳定性，采用自发置换的策略将耐腐蚀的Au原子修饰在催化剂中，结果表明修饰后催化剂(Au-O-PdZn)经30000圈循环之后半波电位仅衰减6 mV。通过将制备的催化剂组装到锌空气电池和锂-氧电池中进行电化学测试，证明该催化剂具备一定的实际应用潜力。

2013年初入职以来，王得丽教授课题组在低铂类催化剂的设计与构效关系研究方面取得系列性研究进展。2018年，课题组在ACS Catalysis发表低铂类ORR催化剂的设计与构效关系研究邀请综述(ACS Catal.,2018,8(4), 3237-3256,DOI:10.1021/acscatal.7b04420)。2019年4月5日，课题组继续在ACS Catalysis杂志上发表题为《One-Nanometer-Thick Pt3Ni Bimetallic Alloy Nanowires Advanced Oxygen Reduction Reaction: Integrating Multiple Advantages into One Catalyst》的研究论文，该论文的第一作者2016级博士龚明星，共同第一作者2015级本科生邓智平。研究中作者通过简单的水热合成方法，引入Ni源并合理调节溶剂极性一步法合成出超细(1 nm)的Pt3Ni双金属纳米线，模拟结构发现其Pt原子利用率达到50%。同时研究发现，得益于超高的表面Pt原子利用率、超细1D纳米线结构以及合金化带来的电子结构效应、应力效应调控等有效提升了催化剂的ORR催化性能。其他相关的研究成果发表在Nano Energy、Chem.Mater.等杂志上。

以上工作得到国家自然科学基金、华中科技大学人才引进基金、中组部青年、教育部新世纪优秀人才支持计划等项目的资助。