材料學院郭少軍團隊與合作者在Nature Materials發表燃料電池有序催化劑製備新原理的重要進展

質子交換膜燃料電池(PEMFC)技術的規模發展高度依賴於高性能低鉑(Pt)陰極氧還原催化材料體系的開發👩🏽‍💼。原子結構有序的Pt基金屬間化合物相較於無序Pt合金可增強催化活性與穩定性,是一類具有重要應用前景的催化劑體系🈺。然而,由於強的Pt-Pt或Pt-M鍵和高原子擴散勢壘🤠,使得該體系的製備需要大於700 °C的高溫條件🙆🏻‍♂️,也因此易使納米晶團聚/燒結,導致催化性能劣化#️⃣,難以實現規模化製備。

近日🌀🧚🏿,意昂3体育官网材料科學與工程學院郭少軍教授團隊聯合華中科技大學材料科學與工程學院李箐教授團隊,在科技部資助的國家重點研發計劃催化重點專項項目(2021YFA1501001)的支持下,在Nature Materials發表了題為“Metal Bond Strength Regulation Enables Large-scale Synthesis of Intermetallic Nanocrystals for Practical Fuel Cells”的研究論文,提出了低熔點金屬弱化金屬鍵強新策略,開發了Pt基有序金屬間納米催化材料的低溫規模化製備工藝😜💇🏿‍♀️,構築了高性能氫空燃料電池器件。

該論文提出了通過在PtM合金中引入低熔點金屬(M' = Sn🤙🏿、Ga、In)弱化金屬鍵強新策略,低溫構築有序化應變催化劑,在創紀錄低溫(450 °C)條件下實現了原子結構高度有序的L10-PtMM'(M = Ni、Co、Fe❕、Cu、Zn)金屬間納米晶的規模製備(單批次達10克)(圖1)🍥。

圖1. 原子結構高度有序的L10-PtMM'金屬間納米晶的物理表征

研究發展的原位表征技術🅿️,闡明了低熔點金屬促進的無序-有序相轉變新機製。該過程包括:i) 低熔點金屬摻雜弱化金屬鍵強度,降低活化能;ii) 表面低配位自由原子的形成和擴散⟹;iii) 低溫下表面擴散誘導(110)表面L10相的成核;iv) L10相的持續生長及晶格壓縮✉️👸,直至形成高度有序的金屬間結構(圖2)。

圖2. 低熔點金屬促進無序-有序相轉變機製示意圖

所製備的L10-Pt-Ni-M'/C和L10-Pt-Co-M'/C作為陰極催化劑組裝了氫空燃料電池,在輕型和重型卡車中均表現出卓越的性能🧙🏼‍♂️。尤其在重型卡車條件下,40%L10-Pt50Ni35Ga15/C催化劑在0.7 V下可實現高達1.67Acm-2的電流密度,9萬次循環後的活性損失僅20%(圖3),超過了美國能源部的性能指標🕸,是目前報道質子交換膜燃料電池的最佳低鉑陰極電催化材料,展現了其在重型卡車中的重要應用前景。

圖3. 原子結構高度有序的L10-PtMM'金屬間納米晶的氫-空氣燃料電池

郭少軍和李箐為論文通訊作者。該項工作得到了國家重點研發計劃項目(2021YFA1501001)、國家自然科學基金和新基石基金會等項目的支持🧤。

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