研究人员在燃料电池阴极ORR电催化剂上取得突破

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《中国科学报》记者从武汉理工大学获悉，该校材料科学与工程国际化示范学院刘勇教授团队在燃料电池阴极氧化还原反应电催化剂的设计研究上取得突破，设计合成出一维各向异性介孔Pt@Pt-skin?Pt?Ni核-壳框架纳米线（CSFWs）高效电催化剂，在氧化还原反应中表现出了较高的催化活性与电催化稳定性。相关研究成果近日在线发表于《自然-通讯》上。

Mn3Sn中的磁场诱导线性反常霍尔效应。受访者供图

氧化还原反应（ORR）是燃料电池新能源技术的核心反应，是燃料电池实现商业化应用的关键，发展新能源体系的高性能催化材料则成为重要的技术挑战。铂（Pt）作为目前ORR公认性能最好的电化学催化剂，在地壳中的储存量少且价格昂贵，这导致了其在燃料电池领域的大规模应用受阻。如何提高Pt催化剂的原子利用率、反应活性和稳定性一直是发展燃料电池等能源技术的核心问题。

目前，材料化学家们主要是通过调控催化剂的微观结构和化学组分来提高Pt的利用率和催化性能，将Pt和其他廉价金属如镍（Ni）、铁（Fe）等合金化并制备成三维（3D）多孔框架结构是一种很有前途的方法。该方法不仅可以极大降低催化剂中Pt的含量，而且可以最大限度地暴露高活性位点。此外，一维（1D）纳米结构由于其固有的各向异性、较高的导电性以及与碳载体存在更大的表面接触，被认为是提高Pt催化剂稳定性的最有效途径。

刘勇教授课题组综合3D多孔纳米框架和1D纳米各向异性，设计合成出了一维各向异性介孔Pt@Pt-skin?Pt?Ni核-壳框架纳米线（CSFWs）高效电催化剂。该催化剂由一维超细Pt纳米线（~3 nm）和介孔Pt-skin Pt?Ni框架核-壳异质构筑，具有优异的电催化活性、稳定性和高Pt原子利用率。在ORR催化反应中，该催化剂的质量活性（MA）和比活性（SA）高达6.69A/mgpt和8.42mA/cm2，分别是商用Pt纳米催化剂的29倍和26倍；同时催化剂也表现出优异的稳定性，50000次循环后其活性衰减不到3%。

研究成果结合了三维开放的孔结构和一维各向异性的优点，有效地解决了Pt基催化剂在燃料电池阴极氧还原反应（ORR）中的瓶颈问题。