氫能燃料電池(PEMFC)具有綠色低碳的優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化、能源需求劇增等挑戰(zhàn)的重要手段之一。作為PEMFC陰極反應(yīng)的關(guān)鍵過(guò)程，氧還原反應(yīng)(ORR)的效率決定電池的性能、壽命與成本，而鉑(Pt)基催化劑是燃料電池中促進(jìn)這一反應(yīng)的常用催化劑。
目前，在商業(yè)使用的碳載鉑(Pt/C)催化劑中，Pt活性組分多無(wú)序分布于碳載體表面，導(dǎo)致活性位點(diǎn)分布不均；在燃料電池工作過(guò)程中，Pt與載體的相互作用降低，造成Pt納米顆粒的脫落、遷移與團(tuán)聚，導(dǎo)致PEMFC的性能衰減。
中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所制氫與利用研究室基于分子自組裝方法，以吡啶N結(jié)構(gòu)的嵌段共聚物(BCP)為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，原位絡(luò)合Pt前驅(qū)體，與碳源模板劑自組裝，經(jīng)過(guò)碳化、表面改性和還原等后處理手段，得到高度有序的三維蜂窩狀Pt基介孔納米材料(Pt/N-OHC)。
研究表明，Pt/N-OHC作為一種可控高維度介孔材料，兼具小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等納米尺度的特有性質(zhì)和長(zhǎng)程有序宏觀性質(zhì)。蜂窩結(jié)構(gòu)的催化劑層厚度較小，Pt活性位點(diǎn)層次分布于孔道表面和垂直孔的邊界，符合Middelman關(guān)于理想電極催化層的設(shè)定，有利于活性位點(diǎn)的充分利用和多相反應(yīng)物質(zhì)的傳輸。
研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，有序多孔蜂窩結(jié)構(gòu)來(lái)源于自組裝的結(jié)構(gòu)控制，而Pt組分與蜂窩結(jié)構(gòu)中的N通過(guò)金屬-載體間強(qiáng)相互作用(MSI)形成的Pt-N配位鍵能夠抑制Pt遷移團(tuán)聚，提高Pt活性組分穩(wěn)定性，其本身還可以作為活性位點(diǎn)，有效降低ORR反應(yīng)中的能壘。同時(shí)，研究調(diào)整BCP自組裝過(guò)程中的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)Pt活性組分從單原子到超細(xì)納米顆粒(粒徑低至2.5 nm)的控制和蜂窩結(jié)構(gòu)的厚度控制(20 nm-60 nm)，從而更好地調(diào)控ORR電催化活性。
相關(guān)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為題，發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。研究工作得到中科院STS重點(diǎn)項(xiàng)目和廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目的支持。中科院沈陽(yáng)金屬研究所科研人員參與研究。
3D有序蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)負(fù)載Pt活性組分及其ORR電催化性能研究
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