王得麗團隊在燃料電池氧還原電催化劑研究中取得重要進展
（通訊員 龔明星 吳疆鄂）4月18日，納米材料領(lǐng)域國際頂級期刊ACS Nano在線發(fā)表化學化工學院王得麗教授研究團隊研究成果《Golden Palladium Zinc Ordered Intermetallics as Oxygen Reduction Electrocatalysts》。論文第一作者為2015級博士生肖衛(wèi)平和美國康奈爾大學的博士生楊堯，王得麗教授為論文唯一通訊作者，華中科技大學為唯一通訊單位。
清潔、高效、可持續(xù)能源存儲與轉(zhuǎn)換裝置勢必在未來能源架構(gòu)中占據(jù)重要地位。其中燃料電池、金屬-空氣電池等以其操作簡單、高效環(huán)保等諸多優(yōu)點在可移動電源領(lǐng)域備受關(guān)注。但目前該類電池商業(yè)化應用仍然面臨不少問題，比較突出的是電池陰極的氧氣還原反應(0RR)動力學反應速率緩慢，極化過電位大造成了電池輸出功率和效率的大幅降低。尋求高效、穩(wěn)定且廉價的陰極催化劑是電池走向商業(yè)化應用的關(guān)鍵所在。王得麗教授團隊致力于低鉑、非鉑類催化劑的設(shè)計開發(fā)以及構(gòu)-效關(guān)系研究，期望通過理論設(shè)計和先進的物理表征手段解析催化劑的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合實驗研究揭示構(gòu)建材料的構(gòu)-效關(guān)系，為相關(guān)催化劑的設(shè)計、應用提供指導和依據(jù)。本研究采用簡單的浸漬還原法以及后續(xù)的高溫處理制備出表面富Pd(5-6個原子層厚度)的有序PdZn(O-PdZn)納米催化劑。堿性環(huán)境下ORR測試結(jié)果表明，相比于Pd/C和Pt/C，該催化劑表現(xiàn)出3倍的質(zhì)量活性提升。為了更好地提升其循環(huán)穩(wěn)定性，采用自發(fā)置換的策略將耐腐蝕的Au原子修飾在催化劑中，結(jié)果表明修飾后催化劑(Au-O-PdZn)經(jīng)30000圈循環(huán)之后半波電位僅衰減6 mV。通過將制備的催化劑組裝到鋅空氣電池和鋰-氧電池中進行電化學測試，證明該催化劑具備一定的實際應用潛力。
圖1. Au修飾的O-PdZn有序金屬間化合物催化劑的性能評價與結(jié)構(gòu)分析
2013年初入職以來，王得麗教授課題組在低鉑類催化劑的設(shè)計與構(gòu)效關(guān)系研究方面取得系列性研究進展。2018年，課題組在ACS Catalysis發(fā)表低鉑類ORR催化劑的設(shè)計與構(gòu)效關(guān)系研究邀請綜述(ACS Catal., 2018, 8 (4), 3237-3256,DOI: 10.1021/acscatal.7b04420)。2019年4月5日，課題組繼續(xù)在ACS Catalysis雜志上發(fā)表題為《One-Nanometer-Thick Pt3Ni Bimetallic Alloy Nanowires Advanced Oxygen Reduction Reaction: Integrating Multiple Advantages into One Catalyst》的研究論文，該論文的第一作者2016級博士龔明星，共同第一作者2015級本科生鄧智平。研究中作者通過簡單的水熱合成方法，引入Ni源并合理調(diào)節(jié)溶劑極性一步法合成出超細(1 nm)的Pt3Ni雙金屬納米線，模擬結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其Pt原子利用率達到50%。同時研究發(fā)現(xiàn)，得益于超高的表面Pt原子利用率、超細1D納米線結(jié)構(gòu)以及合金化帶來的電子結(jié)構(gòu)效應、應力效應調(diào)控等有效提升了催化劑的ORR催化性能。其他相關(guān)的研究成果發(fā)表在Nano Energy、Chem. Mater.等雜志上。
圖2. Pt3Ni雙金屬合金納米線的形成機理示意圖
以上工作得到國家自然科學基金、華中科技大學人才引進基金、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃等項目的資助。
論文鏈接：1. https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsnano.9b01961
2. https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acscatal.9b00603
3. https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/pdf/10.1021/acs.chemmater.8b02172
4. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518303471
課題組網(wǎng)站：http://deli.chem.hust.edu.cn/
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