記者從中國科學技術大學獲悉，該校化學與材料科學學院吳長征教授實驗課題組和工程科學學院近代力學系吳恒安教授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(zhì)子交換膜燃料電池在3萬次循環(huán)耐久性測試后仍然能維持81.5%的放電功率，實現(xiàn)燃料電池的高功率放電和長久循環(huán)穩(wěn)定性，并揭示了電池內(nèi)三相界面的傳質(zhì)機理。相關成果日前發(fā)表在《美國科學院院報》上。
質(zhì)子交換膜燃料電池相對于其他種類電池具有放電功率大、無污染等優(yōu)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(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性上有著天然優(yōu)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(zhì)量活性降低，成為制約燃料電池性能提升的關鍵瓶頸問題之一。
針對這一挑戰(zhàn)，吳長征教授團隊合成了系列具有2納米左右超小尺寸鉑基金屬間化合物顆粒。由超小尺寸Pt3Co金屬間化合物顆粒組裝出燃料電池，比商業(yè)化燃料電池的功率密度高出530毫瓦/平方厘米。在耐久性測試中，超小尺寸的金屬間化合物顆粒在3萬圈循環(huán)后質(zhì)量活性依然可以達到0.75安培/毫克。同時，位于介孔碳內(nèi)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(yōu)化。理論計算表明，介孔內(nèi)部可以高效地完成質(zhì)子和氧氣的傳輸并實現(xiàn)動態(tài)平衡，大大降低電池傳質(zhì)阻力，同時防止離聚物對電池催化劑的毒化作用。
這項研究成果從納米到介觀尺度系統(tǒng)優(yōu)化了催化劑在燃料電池膜電極中的結(jié)構(gòu)設計并實現(xiàn)高性能表達，為燃料電池陰極催化材料提供了新思路。(記者 吳長鋒)
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