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材料系谷猛与物理系徐虎课题组取得超微纳米金属间化合物领域最新进展

2020-01-06

        近日,我校材料科学与工程系副教授谷猛课题组与物理系副教授徐虎课题组联合,在超微纳米金属间化合物领域取得最新研究进展,相关成果发表在材料领域顶级期刊《先进科学》(Advanced Science,IF:15.804)。



        由于具有高能量密度、环境友好等优势,燃料电池技术正成为全球能源技术发展的重要方向和各国未来能源战略重要组成部分。然而,阴极上的氧还原反应(ORR)的反应动力学缓慢,限制了其商业化的应用。目前,质子交换膜燃料电池中常用的商用催化剂是碳载铂(Pt/C),贵金属铂价格昂贵且资源储量有限。


材料的制备流程和结构表征


        通常,对于催化剂纳米颗粒而言,较小的粒径会产生更多的低配位金属原子,作为催化活性中心;同时,随金属颗粒尺寸的减小,贵金属Pt原子的利用率提高,降低成本。但是,金属的表面能随着粒径的减小而显着增加,导致催化剂颗粒易于团聚,稳定性降低。通过与某些金属M形成有序的金属间PtM纳米晶体,PtM和M原子之间更高的混合焓和更强的原子相互作用将使PtM在酸性和碱性溶液中保持更高的稳定性。然而,形成结构有序的金属间相需要高温退火(> 500°C),而这样的高温不利于保持超小纳米簇尺寸。尽管通过表面活性剂、盐包封、氧化物或聚合物涂层进行保护等策略为实现具有一定尺寸的有序纳米合金提供了希望,但尚未有直接和大规模制造簇状有序纳米结构相关的研究报道。



 金属间化合物的电镜研究


        此项研究中,研究团队通过一种活化负载的方式,制得了催化剂颗粒尺度小于3nm的Pt3In有序团簇催化剂。徐虎课题组通过理论计算考虑了不同尺寸和Pt比例的金属间纳米晶体,研究表明通过往铂中掺杂铟原子,可以有效地改变了铂的电子结构,使铂对氧的吸附能力减弱,这样有利于氧还原反应。研究表明,在Pt3In纳米晶体上具有最优的氧还原反应效率,质量活性是商业铂的4.1倍。此外,由于提高了铂铟金属的有序化程度,催化剂的稳定性提高,循环20000圈催化性能无明显衰减。


金属间化合物的结构和性能关


        另外,目前对燃料电池催化剂的研究中,大部分制备方法催化剂产率低、产量小、涉及有机配体参与,无法满足工业上对催化剂的大量需求。本研究不涉及其他还原剂和表面活性剂的使用,因此原料除了贵金属Pt和In的成本外,无任何附加原料的成本,因而也没有后续表面清洗过程和废料处理产生的额外费用,有利于大批量的工业级制备。



        本文章第一作者谷猛课题组博士后王琦正在通过高通量实验合成测试多种燃料电池催化剂。他表示,这个方法简单、便捷,不用表面活性剂,得到的催化剂表面干净,无需后续清洁步骤,适合推广


        谷猛表示,这项研究不仅成功地制造了一种活性且持久的酸环境ORR催化剂,还通过一种通用而有效的方法来获得用于异相催化应用的超小型有序纳米合金,为燃料电池催化剂的研究提供了更实用且可靠的研究思路,加快了高性能低成本燃料电池催化剂从实验室走向工业生产的步伐。希望三到五年内,这项研究可以大规模实际应用到燃料电池车上面,并大幅降低燃料电池车的成本。
         本课题的开展和完成得到了国家自然科学基金、广东省电力能源材料重点实验室、深圳市孔雀计划、深圳市DRC项目和南方科技大学分析测试中心的大力支持。
         论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201901279