長春應(yīng)化所制備出系列高效單原子氧還原電催化劑

　　燃料電池作為一種新型潔凈能源的轉(zhuǎn)換設(shè)備，因具有裝置簡單、體積小、攜帶方便、能量密度高等優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注。然而，燃料電池陰極氧還原反應(yīng)（ORR）動力學(xué)緩慢以及高Pt價格和低鉑利用率，嚴(yán)重阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用的商業(yè)化進(jìn)程。中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所徐維林研究員課題組從成本和性能的角度出發(fā)，制備了一系列高效、低成本單原子非鉑和單原子鉑氧還原催化劑。 

　　該團(tuán)隊與中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理所姜政課題組以及中國科學(xué)院物理所谷林課題組合作，利用廉價的炭黑和鋅前驅(qū)體，簡易地制備了廉價的單原子鋅基氧還原電催化劑，該催化劑展現(xiàn)出和商業(yè)碳載鉑相媲美的氧還原性能，并具有很好的穩(wěn)定性。高角環(huán)形暗場掃描隧道顯微鏡（HAADF-STEM）證實該鋅基催化劑中的鋅主要是以單原子鋅存在，而擴(kuò)展的X-射線吸收近邊譜（EXAFS）證實單原子鋅的主要存在方式為Zn-N₄。進(jìn)一步的理論計算表明該單原子鋅催化劑的高催化活性主要來源于Zn-N₄結(jié)構(gòu)。反應(yīng)機(jī)理研究發(fā)現(xiàn)Zn-N₄位點上O原子中間體的吸附是該反應(yīng)的決速步驟(圖1)。 

　　同時，該團(tuán)隊與中國科學(xué)院長春應(yīng)化所王穎副研究員、中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理所姜政研究員以及中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所孫公權(quán)研究員合作，詳細(xì)報道了一種廉價炭黑負(fù)載的高性能(高活性、高穩(wěn)定性及抗毒化能力)的單原子Pt電催化劑。以該催化劑作為陰極的酸性單電池能量密度高達(dá)680mW cm^-2，相當(dāng)于Pt在燃料電池中的利用率為0.13g_Pt kW^-1，這也是目前文獻(xiàn)中報道的燃料電池中最高的鉑利用率。通過實驗和理論計算相結(jié)合，該工作還進(jìn)一步揭示其超高性能主要來源于碳載體上吡啶氮錨定的單原子鉑（Pt₁-N₁）位點，該位點的電催化特性能很好地解釋催化劑的高活性、高穩(wěn)定性和高的抗（CO/甲醇）毒化能力（圖2）。 

　　以上關(guān)于高效單原子鋅和單原子鉑氧還原電催化劑的系列工作為目前制備廉價高效燃料電池陰極電催化劑提供了一個全新的研究思路，相關(guān)成果相繼發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》和《自然通訊》上（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, DOI: 10.1002/adfm.201700802; Nat. Commun. 2017, 8, DOI: 10.1038/ncomms15938）。 

　　該系列工作獲得973項目、自然科學(xué)基金等項目支持。   　　  

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（能源催化過程課題組）

　　圖1.單原子Zn基氧還原電催化劑的性能，形貌表征以及機(jī)理預(yù)測