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          劉勇教授團隊在Nature子刊《Nature Communications》發表電催化最新研究成果


          發布:2023-03-23 17:36 來源:材料科學與工程國際化示范學院


          新聞網訊?近日,我校材料科學與工程國際化示范學院(材料與微電子學院)劉勇教授團隊在燃料電池陰極氧還原反應電催化劑的設計研究上取得重大突破,成果以“Mesoporous Pt@Pt-skin Pt?Ni core-shell framework nanowire electrocatalyst for efficient oxygen reduction”為題,于3月18日在線發表在國際頂級期刊Nature的子刊 Nature Communications (Nat. Commun. 2023,14,1518)上。這也是劉勇教授課題組繼去年在國際材料領域頂級期刊《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2022, 2204342) 上發表各向異性單晶鈣鈦礦光電材料之后又一重大研究進展。

          落實“雙碳”戰略目標,發展新能源體系的高性能催化材料是關鍵。燃料電池技術是解決未來可持續新能源供應的一個優選方案,特別是在電動汽車領域。氧還原反應(ORR)是燃料電池新能源技術的核心反應,是燃料電池實現商業化應用的關鍵。然而,常見ORR反應催化劑都是貴金屬,其中鉑(Pt)是目前ORR公認性能最好的電化學催化劑。但Pt在地殼中的儲存量少且價格昂貴,導致其在燃料電池領域的大規模應用受阻。如何提高Pt催化劑的原子利用率、反應活性和穩定性一直是發展燃料電池等能源技術的核心問題。

          目前,材料化學家們主要是通過調控催化劑的微觀結構和化學組分來提高Pt的利用率和催化性能,將Pt和其他廉價金屬(如Ni,Fe等)合金化并制備成三維(3D)多孔框架結構是一種很有前途的方法。該方法不僅可以極大降低催化劑中Pt的含量,而且可以最大限度地暴露高活性位點。此外,一維(1D)納米結構由于其固有的各向異性、較高的導電性以及與碳載體存在更大的表面接觸,被認為是提高Pt催化劑穩定性的最有效途徑。因此,從理論上講,如果能綜合3D多孔納米框架和1D納米各向異性來設計Pt基催化劑,不僅可以使Pt基催化劑的原子利用率最大化,而且將極大提高Pt基催化劑的活性和穩定性,從而獲得性能最佳的ORR催化劑。

          為此,武漢理工大學劉勇教授課題組近日設計合成出一維各向異性介孔Pt@Pt-skin?Pt?Ni核-殼框架納米線(CSFWs)高效電催化劑。該催化劑由一維超細Pt納米線(~3 nm)和介孔Pt-skin Pt?Ni框架核-殼異質構筑,具有優異的電催化活性、穩定性和高Pt原子利用率。在ORR催化反應中,該催化劑的質量活性(MA)和比活性(SA)高達6.69A/mgpt和8.42mA/cm2,分別是商用Pt納米催化劑的29倍和26倍;同時催化劑也表現出優異的穩定性,50000次循環后其活性衰減不到3%。

          介孔Pt@Pt-skin Pt?Ni核-殼框架納米線(CSFWs)的制備表征及性能圖

          該介孔Pt@Pt-skin?Pt?Ni核-殼框架納米線結合了三維開放的孔結構和一維各向異性的優點,有效地解決了Pt基催化劑在燃料電池陰極氧還原反應(ORR)中的瓶頸問題。該工作得到了武漢理工大學生命復合材料實驗室平臺、武漢理工大學麥立強教授團隊和復旦大學趙東元院士團隊的大力支持,獲得國家自然科學基金重大項目和面上項目和武漢理工大學科研啟動經費的資助。

          劉勇,武漢理工大學教授,博士生導師,省部級高層次青年人才。2015年在復旦大學獲理學博士學位(導師趙東元院士),隨后在復旦大學(2015-2016,合作導師趙東元院士)、加州大學伯克利分校(2016-2019,合作導師楊培東院士)從事博士后研究。2020年回國加盟武漢理工大學材料科學與工程國際化示范學院(材料與微電子學院),主要從事新型功能半導體微電子/多孔材料的可控合成、界面自組裝及其在新能源轉換與存儲等領域的創新應用研究。


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