郭少军课题组《Nature》：新型电催化剂显著提升电池性能

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北京大学工学院郭少军课题组研发了一类亚纳米厚且高端卷曲的双金属钯钼纳米片材料，其在碱性电解质中展现出卓越的氧还原反应（Oxygen reduction reaction，ORR）电催化活性和稳定性，突破了阴极反应的缓慢动力学对于相关电化学能源转换/存储器件的限制，显著提升了锌空电池和锂空电池的性能。相关研究于2019年9月26日发表在《自然》（Nature）杂志上。连接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1603-7。

       化石能源的日益枯竭及所造成的环境污染、气候变化等危机急需增加可再生的清洁能源在社会能源体系中的比重。然而，可再生能源的间歇性特征以及常规电网在长途输电过程中的高电能损耗和高造价等弊端极大地限制了可再生电能的直接使用。更为有效的方式为基于电化学转换器件首先将可再生电能储存于含能分子的化学键中，再将这些含能分子运输至能源需求点并可控地释放化学能。电化学反应承载了此类化学能与电能之间的转换，其反应速率直接决定了能源转换效率以及电化学器件的运行功率，因此控制反应速率的电催化剂至关重要。

       燃料电池和金属空气电池是目前广受关注的能源转换装置，其阴极ORR缓慢的动力学及所需较高的贵金属催化剂用量极大地限制了这两类能源技术的实际运用，从而急需开发高性能低成本的ORR电催化剂。由于其高活性和高稳定性等优势，铂族金属（Platinum group metals, PGMs）纳米材料是最常用的ORR电催化剂。郭少军课题组之前的工作表明，理性控制金属纳米材料的表面应变可显著提高ORR电催化活性（Science, 2016, 354, 1410; Nature Reviews Materials, 2017, 2, 17059）。基于前期工作基础，郭少军课题组研发了一类新型的亚纳米厚且高度卷曲的双金属钯钼纳米片（图1）；鉴于其结构类似于石墨烯及以往报道（Nature Communication 2014, 5, 3093），Z简称为“双金属烯”。实验结果表明PdMo双金属烯的超薄结构能显著提高贵金属Pd的原子利用率，实现超高的电化学活性面积（138.7 m2/gPd）。在0.9 V（参比于可逆氢电极）电位下，其ORR的质量活性高达16.37 A/mgPd，较商业Pt/C和Pd/C催化剂分别高出78和327倍，同时展现出优异的稳定性（30000圈循环扫描后，性能性能衰减低于30%）。密度泛函理论计算研究发现，双金属合金效应、几何卷曲引起的应变效应以及亚纳米尺寸引起的量子效应共同调控了表面Pd的电子结构，实现氧结合能的优化及氧还原催化性能的大幅提升。PdMo双金属烯同时表现出优于商业氧化铱（IrO2）催化剂的析氧反应（oxygen evolution reaction, OER）活性。更重要的是，PdMo双金属烯作为阴极电催化剂极大地提升了锌空和锂空电池的充放电性能。该工作对氧反应电催化机理研究和新型高效燃料电池/金属空气电池阴极电催化剂的开发具有借鉴意义，为下一代高性能低成本电催化剂的理性设计提供了全新思路。

钯钼双金属烯的结构表征

图1. 钯钼双金属烯的结构表征。（a-c）电子显微镜图片；（d, e）原子力显微镜图片及厚度分析；（f）球差透射电子显微镜图片

       本工作得到了国家自然科学基金、北京首批杰出青年科学基金项目、国家重点研发计划新能源汽车专项、北京大学工程科学与新兴技术高精尖创新中心、中国博士后科学基金等项目支持。郭少军教授为论文的唯一通讯作者。骆明川博士是论文的第一作者。合作者包含美国加州州立大学Gang Lu（卢刚）教授和美国布鲁克海文国家实验室Dong Su（苏东）研究员。

        电化学反应是属于电化学范畴的化学反应。 电化学是有关电与化学变化关系的一个化学分支。电化学是边缘学科，是多领域的跨学科。对“电化学”，古老的定义认为它是“研究物质的化学性质或化学反应与电的关系的科学”。以后Bockris下了定义，认为是“研究带电界面上所发生现象的科学”。电化学反应过程中常伴随着电极表面析氢、析氧和析氯的电极反应，这些析出的气体会以气泡形式吸附于电极表面，从而造成电极活性面积减少、电极表面电位和电流密度的微观分布不均，产生电极极化。

        郭少军博士，北京大学材料科学与工程系及能源与资源系研究员、博士生导师，中组部计划入选者，世界高被引科学家。郭博士于2005年在吉林大学化学学院获理学学士学位，于2011年1月获中国科学院长春应用化学研究所分析化学博士学位，师从中国科学院院士、著名分析化学家汪尔康研究员。2011年1月前往美国布朗大学化学系师从孙守恒教授。2013年6月入选美国洛斯-阿拉莫斯国家实验室奥本海默杰出学者。2015年9月加入北京大学工学院。目前获得多项重要的学术奖励和荣誉称号，包括2014和2015年连续两年入选世界高引用率科学家，John Wiley＆Son出版社的“Materials Views”专栏对申请人进行了专访 (2016. 01)，2014年国家计划，2013年奥本海默杰出学者和2012年中国科学院百篇优秀博士论文等。
迄今已在国际著名学术期刊Nature Commun. (1), Chem. Soc. Rev. (2), Acc. Chem. Res. (1), JACS (13), Adv. Mater. (7), Angew. Chem. (5), Nano Lett. (4), ACS Nano (12), Nano Today (1), Adv. Energy Mater. (3)和Energy Environ. Sci. (2)等共发表学术论文170余篇和书章节4部，其中发表论文影响因子大于10的50篇 (通讯/第一作者影响因子大于10的35篇)、ESI Top 1%高引用率文章34篇、ESI Top 0.1%热点文章7篇、亮点文章5篇、封面文章6篇、VIP文章3篇、单篇引用超过100次的34篇和超过600次的3篇。36次被Chemical & Engineering News, Science News, Science Daily, Materials Today, Nano Energy和Physics News等多家刊物和网站专题评论。发表文章已被引用近13000次，H指数为60。