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北京大学材料学院郭少军团队与合作者在Nature Materials发表燃料电池有序催化剂制备新方法的重要进展

发布者:  时间:2024-05-21 13:57:34  浏览:

质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术的规模发展高度依赖于高性能低铂(Pt)阴极氧还原催化材料体系的开发。原子结构有序的Pt基金属间化合物相较于无序Pt合金可增强催化活性与稳定性,是一类具有重要应用前景的催化剂体系。然而,由于强的Pt-Pt或Pt-M键和高原子扩散势垒,使得该体系的制备需要大于700 °C的高温条件,也因此易使纳米晶团聚/烧结,导致催化性能劣化,难以实现规模化制备。

近日,北京大学材料科学与工程学院郭少军教授团队联合华中科技大学材料科学与工程学院李箐教授团队在科技部资助的国家重点研发计划催化重点专项项目(2021YFA1501001)的支持下,在Nature Materials发表了题为“Metal Bond Strength Regulation Enables Large-scale Synthesis of Intermetallic Nanocrystals for Practical Fuel Cells”的研究性论文,提出了低熔点金属弱化金属键强新策略,开发了Pt基有序金属间纳米催化材料的低温规模化制备工艺,构筑了高性能氢空燃料电池器件。


该论文提出了通过在PtM合金中引入低熔点金属(M'=Sn、Ga、In)弱化金属键强新策略,低温构筑有序化应变催化剂,在创纪录低温(450 °C)条件下实现了原子结构高度有序的L10-PtMM'(M= Ni、Co、Fe、Cu、Zn)金属间纳米晶的规模制备(单批次达10克)(图1)。

图1.原子结构高度有序的L10-PtMM'金属间纳米晶的物理表征


发展的原位表征技术,阐明了低熔点金属促进的无序-有序相转变新机制。该过程包括:i)低熔点金属掺杂弱化金属键强度,降低活化能;ii)表面低配位自由原子的形成和扩散;iii)低温下表面扩散诱导(110)表面L10相的成核;iv)L10相的持续生长及晶格压缩,直至形成高度有序的金属间结构(2)。

图2.低熔点金属促进无序-有序相转变机制示意图


所制备的L10-Pt-Ni-M'/C和L10-Pt-Co-M'/C作为阴极催化剂组装了氢空燃料电池,在轻型和重型卡车中均表现出卓越的性能。尤其在重型卡车条件下,40% L10-Pt50Ni35Ga15/C催化剂在0.7 V下可实现高达1.67A cm-2的电流密度,90000次循环后的活性损失仅20%(图3),超过了美国能源部的性能指标,是目前报道质子交换膜燃料电池的最佳低铂阴极电催化材料,展现了其在重型卡车中的重要应用前景。

图3.原子结构高度有序的L10-PtMM'金属间纳米晶的氢-空气燃料电池


郭少军教授和李箐教授为论文通讯作者。该项工作得到了国家重点研发计划项目(2021YFA1501001)、国家自然科学基金和新基石基金会等项目的支持。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-024-01901-4