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铁钴双原子材料用于氢空燃料电池取得新进展

(2017-12-07)

       近日,iChEM研究人员、中国科学技术大学吴宇恩教授课题组与西安交通大学常春然副教授(通讯作者)等合作成功利用双溶剂法首次合成了一种双原子Fe,Co固载在多孔的氮掺杂碳上的电催化剂,并将双原子材料用于氢空燃料电池和氢氧燃料电池方面。相关成果以“Design of N-Coordinated Dual-Metal Sites: A Stable and Active Pt-Free Catalyst for Acidic Oxygen Reduction Reaction”为题发表在《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.7b10385)。该论文的第一作者为中国科学技术大学博士研究生王晶。

       随着人类社会的发展,全球能源的消耗和气候变化等问题都引起了人们的广泛关注,因此寻找可替代的清洁能源已经迫在眉睫。其中,燃料电池是一种通过氢气和空气的电极反应生成水直接将化学能转换成电能的装置,不需要充电,不会产生废气,因能量转换效率高(达60 %-80 %)和环境友好等优越性受到人们的关注,被认为是21世纪首选的清洁能源发电技术。双原子催化剂由于其独特的电子和几何结构,使得其在一些重要的化学反应中通常会表现出意想不到的催化活性。Fe,Co双原子催化剂作为燃料电池的阴极催化剂,不仅降低的燃料电池催化层的成本,且在载量小于1 mg cm-2的条件下最高输出功率密度为0.51 W cm-2为商业铂碳的76 %


吴宇恩教授课题组,以锌钴双金属MOF作为前驱体,通过双溶剂法吸附铁盐,在高温环境下,Fe 3+被周围石墨化的C逐渐还原并与邻近的Co成键,从而形成Fe,Co双金属活性位点。同时,Fe催化载体生成氮掺杂的石墨化碳,并分解释放CN的碎片,加速金属-咪唑-金属键的断裂,从而迫使MOF内产生空隙。最终在Kirkedall的作用下形成了空洞结构。通过球差电镜,同步辐射,穆斯堡尔谱等多种手段表征了该双原子材料是Fe,Co成键并与周围N配位的结构。通过理论计算表明Fe-Co键的存在更有利于O-O键的断裂,该结构使得催化剂在氧还原反应中有很高的活性。在酸性氧还原反应中表现出半波电位为0.863 V,起始电位为1.06 V, 0.9 V 下的电流密度为2.842 mA cm-2, 并稳定循环5万圈的优异性能。在氢氧燃料电池中最高输出功率高达0.98 W cm-2。在氢空燃料电池中最高输出功率0.51 W cm-2并稳定运行100小时以上。是目前已报道非Pt催化剂中,该双原子材料的氢空燃料电池的性能最高,并将已有的最高活性提高20 %


这一研究成果成功应用双原子催化剂作为燃料电池的阴极催化剂,大幅度降低燃料电池中的催化层成本,是燃料电池领域的重大突破,为燃料电池的商业化发展提供了可能,有望对未来燃料电池汽车的发展带来全新的启示。

上述研究工作得到国家自然科学基金、国家科技部等项目的资助和支持。

论文链接: http://dx.doi.org/10.1021/jacs.7b10385





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