近日，中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心和化學與材料科學學院曾杰教授課題組與湖南大學黃宏文教授合作，研制了一種兼具優(yōu)異的催化活性及穩(wěn)定性的質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑。該成果以“One-Nanometer-Thick PtNiRh Trimetallic Nanowires with Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis in Acid Media: Integrating Multiple Advantages into One Catalyst”為題，發(fā)表在《美國化學會志》雜志上(J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 16159-16167)，論文的共同作者是博士研究生李衎和李星星博士。

 質(zhì)子交換膜燃料電池具有*、能量效率高、功率可調(diào)等優(yōu)點，是未來電動汽車中理想的驅(qū)動電源，具有廣闊的市場前景。但是質(zhì)子交換膜燃料電池的陰氧還原反應(yīng)的動力學十分緩慢，需要使用大量貴金屬鉑納米催化劑作為電極催化劑來維持質(zhì)子交換膜燃料電池的運轉(zhuǎn)，這使得質(zhì)子交換膜燃料電池的成本十分高昂，限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。為此，減少質(zhì)子交換膜燃料電池中貴金屬鉑的用量具有重要意義。在鉑基催化劑中，提高鉑基催化劑在氧還原反應(yīng)中的質(zhì)量活性以及催化穩(wěn)定性是降低貴金屬鉑用量的途徑。目前，許多已報道的鉑基催化劑擁有的質(zhì)量活性，但其中絕大部分催化劑的穩(wěn)定性并不可觀，這是由于高質(zhì)量活性所依賴的結(jié)構(gòu)在熱力學不能夠穩(wěn)定存在，研制兼具高質(zhì)量活性和優(yōu)良的穩(wěn)定性的鉑基催化劑挑戰(zhàn)性。

 一維超細鉑基金屬納米線的微結(jié)構(gòu)及氧還原催化反應(yīng)性能

 面對這一難題，研究人員通過精細調(diào)控鉑基催化劑的維度、尺寸、組分，研制了超細的鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑。由于該納米線的直徑僅有一納米，其表面鉑原子占整體鉑原子比率高于50%，展現(xiàn)了超高的原子利用率，為高的催化質(zhì)量活性提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。氧還原催化測試表明，碳負載的超細鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑的質(zhì)量活性是目前商用鉑碳納米催化劑的15.2倍。與此同時，碳負載的超細鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑在氧氣氣氛下循環(huán)使用10000次后，只有12.8%的質(zhì)量活性性能損失，而與之相對的商用Pt/C催化劑在氧氣氣氛下循環(huán)使用10000次后，質(zhì)量活性性能損失達到了73.7%。相較于目前商業(yè)鉑碳納米催化劑，碳負載的超細鉑鎳銠三元金屬納米線催化劑在質(zhì)量活性和催化穩(wěn)定性方面都有顯著的提高，展現(xiàn)出很好的應(yīng)用潛力。

該研究得到了中科院前沿科學重點研究項目、國家重大科學研究計劃、國家自然科學基金、博士后科學基金等項目的資助。