中國科學技術大學教授吳長征實驗課題組與教授吳恒安理論計算課題組合作，合成了超小尺寸的鉑基金屬間化合物電催化劑。基于該催化劑組裝的質子交換膜燃料電池，在3萬次循環耐久性測試后，仍然能維持81.5%的放電功率，實現燃料電池的高功率放電和長久循環穩定性。相關成果日前發表于美國《國家科學院院刊》。
相對于其他種類電池，質子交換膜燃料電池具有放電功率大、無污染等優勢，其中陰極氧還原反應是電池全反應的速控步驟。鉑基金屬間化合物，因其長程有序結構在穩定性上有著天然優勢，是下一代燃料電池商用氧還原催化劑體系。當前，鉑基金屬間化合物依然存在顆粒尺寸較大等問題，導致鉑利用率和質量活性降低，成為制約燃料電池性能提升的“瓶頸”之一。
針對這一挑戰，吳長征團隊合成了系列具有2納米左右超小尺寸的鉑基金屬間化合物顆粒。由超小尺寸鉑鈷金屬間化合物顆粒組裝的質子交換膜燃料電池，比基于商業鉑碳催化劑的燃料電池功率密度高出530毫瓦/平方厘米。在耐久性測試中，超小尺寸的鉑鈷顆粒在3萬次循環后質量活性依然可以達到0.75安培/毫克。同時，位于介孔碳內部的鉑基金屬間化合物顆粒有利于燃料電池工況下三相界面優化。理論計算表明，介孔內部可高效完成質子和氧氣的傳輸并實現動態平衡，大大降低電池傳質阻力，同時防止離聚物對電池催化劑的毒化作用。
基于超小尺寸鉑基金屬間化合物，該項研究從納米到介觀尺度系統優化了催化劑在燃料電池膜電極中的結構設計并實現高性能表達，為燃料電池陰極催化材料研發提供了新思路。
相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2104026118
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