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(wǎng)　點擊量：評論 (0)

近日，iChEM研究人員、中國科學技術(shù)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(shù)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(guān)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(fā)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(shù)大學博士研究生王晶。

隨著人類社會的發(fā)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(guān)注，因此尋找可替代的清潔能源已經(jīng)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(yīng)生成水直接將化學能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，不需要充電，不會產(chǎn)生廢氣，因能量轉(zhuǎn)換效率高（達60 %-80 %）和環(huán)境友好等優(yōu)越性受到人們的關(guān)注，被認為是21世紀首選的清潔能源發(fā)電技術(shù)。雙原子催化劑由于其獨特的電子和幾何結(jié)構(gòu)，使得其在一些重要的化學反應(yīng)中通常會表現(xiàn)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(yè)鉑碳的76 %。

吳宇恩教授課題組，以鋅鈷雙金屬MOF作為前驅(qū)體，通過雙溶劑法吸附鐵鹽，在高溫環(huán)境下，F(xiàn)e 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，F(xiàn)e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(nèi)產(chǎn)生空隙。最終在Kirkedall的作用下形成了空洞結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)使得催化劑在氧還原反應(yīng)中有很高的活性。在酸性氧還原反應(yīng)中表現(xiàn)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(wěn)定循環(huán)5萬圈的優(yōu)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(wěn)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 %。