鐵鈷雙原子材料用于氫空燃料電池取得新進展

2018-02-12 10:16:54 中國儲能網　點擊量：評論 (0)

近日，iChEM研究人員、中國科學技術大學吳宇恩教授課題組與西安交通大學常春然副教授（通訊作者）等合作成功利用雙溶劑法首次合成了一

近日，iChEM研究人員、中國科學技術大學吳宇恩教授課題組與西安交通大學常春然副教授（通訊作者）等合作成功利用雙溶劑法首次合成了一種雙原子Fe,Co固載在多孔的氮摻雜碳上的電催化劑，并將雙原子材料用于氫空燃料電池和氫氧燃料電池方面。相關成果以“Design of N-Coordinated Dual-Metal Sites: A Stable and Active Pt-Free Catalyst for Acidic Oxygen Reduction Reaction”為題發表在《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b10385）。該論文的第一作者為中國科學技術大學博士研究生王晶。

隨著人類社會的發展，全球能源的消耗和氣候變化等問題都引起了人們的廣泛關注，因此尋找可替代的清潔能源已經迫在眉睫。其中，燃料電池是一種通過氫氣和空氣的電極反應生成水直接將化學能轉換成電能的裝置，不需要充電，不會產生廢氣，因能量轉換效率高（達60 %-80 %）和環境友好等優越性受到人們的關注，被認為是21世紀首選的清潔能源發電技術。雙原子催化劑由于其獨特的電子和幾何結構，使得其在一些重要的化學反應中通常會表現出意想不到的催化活性。Fe,Co雙原子催化劑作為燃料電池的陰極催化劑，不僅降低的燃料電池催化層的成本，且在載量小于1 mg cm-2的條件下最高輸出功率密度為0.51 W cm-2為商業鉑碳的76 %。

吳宇恩教授課題組，以鋅鈷雙金屬MOF作為前驅體，通過雙溶劑法吸附鐵鹽，在高溫環境下，Fe 3+被周圍石墨化的C逐漸還原并與鄰近的Co成鍵，從而形成Fe,Co雙金屬活性位點。同時，Fe催化載體生成氮摻雜的石墨化碳，并分解釋放C和N的碎片，加速金屬-咪唑-金屬鍵的斷裂，從而迫使MOF內產生空隙。最終在Kirkedall的作用下形成了空洞結構。通過球差電鏡，同步輻射，穆斯堡爾譜等多種手段表征了該雙原子材料是Fe,Co成鍵并與周圍N配位的結構。通過理論計算表明Fe-Co鍵的存在更有利于O-O鍵的斷裂，該結構使得催化劑在氧還原反應中有很高的活性。在酸性氧還原反應中表現出半波電位為0.863 V, 起始電位為1.06 V, 且0.9 V 下的電流密度為2.842 mA cm-2, 并穩定循環5萬圈的優異性能。在氫氧燃料電池中最高輸出功率高達0.98 W cm-2。在氫空燃料電池中最高輸出功率0.51 W cm-2并穩定運行100小時以上。是目前已報道非Pt催化劑中，該雙原子材料的氫空燃料電池的性能最高，并將已有的最高活性提高20 %。