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我国学者在非贵金属电催化材料领域取得重要进展
2018年11月07日    作者: 梁振兴,付雪峰,陈拥军    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目(项目编号:21273058,21673064)等资助下,哈尔滨工业大学王振波教授与美国纽约州立大学布法罗分校武刚教授合作,在非贵金属电催化材料领域取得重要进展。相关成果以“Atomically dispersed manganese catalysts for oxygen reduction in proton-exchange membrane fuel cells”(用于质子交换膜燃料电池氧还原反应的原子级分散锰基催化剂)为题,于2018年10月29日在Nature Catalysis(《自然·催化》) 上发表。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41929-018-0164-8

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图.通过化学掺杂-物理吸附两步法制备原子级分散的Mn-N-C催化剂

铂族金属催化剂成本占燃料电池系统成本的50%以上,发展廉价高效的非贵金属催化剂是推动燃料电池技术应用的关键。过渡金属/氮共掺杂碳基催化剂TM-N-C是目前最有应用前景的一类非贵金属催化剂,如铁基催化剂Fe-N-C表现出与铂催化剂相近的电催化活性。但是,在质子交换膜燃料电池运行条件下,该类催化剂面临稳定性差的严峻挑战,其主要原因在于过渡金属铁易于溶出和碳载体易于被氧化腐蚀;溶出的Fe2+会进一步与氧还原反应副产物H2O2发生Fenton反应,所生成的·OH等活泼自由基会破坏燃料电池中离子交联聚合物与电解质膜,严重限制了其实际应用。

王振波教授与武刚教授课题组采用化学掺杂和物理吸附相结合的两步法制备了一种锰基电催化剂Mn-N-C。在三电极体系测试条件下,该催化剂表现出与Fe-N-C催化剂相近的氧还原反应活性,半波电位达0.8 V(vs. RHE);扫描透射电子显微镜、X-射线吸收光谱与理论计算等手段证实原子级分散的MnN4结构为催化活性位点;更为突出的是,该催化剂表现出优异的稳定性:在0.6-1.0V电位区间经历30000圈循环加速衰减实验后,半波电位仅损失17mV;0.8 V计时电流测试100h后,电流保持率达57%,高于Fe-N-C催化剂的39%。过渡金属锰能够显著提高碳载体的石墨化程度与耐氧化腐蚀性,同时消除了传统Fe-N-C催化剂由于铁溶出导致的Fenton效应,从而有效改善了催化剂的稳定性。质子交换膜燃料电池测试结果表明Mn-N-C是一类具有实际应用前景的氧还原反应电催化材料。

梁振兴,付雪峰,陈拥军

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