发展氢能的“初心”是基于可再生能源的电解水绿色制氢，但高的贵金属催化剂用量是质子交换膜电解水制氢成本居高不下的主要原因之一。中国科学院上海高等研究院杨辉团队与美国凯斯西储大学戴黎明课题组合作在氢能源研究领域取得新进展，发展了碳缺陷驱动的铂原子团自发沉积新方法，实现了电解水制氢阴极Pt用量大幅降低，研究成果以Carbon-Defect Driven Electroless Deposition of Pt Atomic Clusters for Highly Efficient Hydrogen Evolution 为题发表在J. Am. Chem. Soc., 2020, 142, 12, 5594-5601，论文的第一作者是上海高研院博士程庆庆，教授杨辉和戴黎明为通讯联系人。
质子交换膜
图：超小Pt-AC/DG制备流程、物理表征、DFT计算、电化学HER活性以及质子交换膜水电解器件稳态极化曲线和稳定性测试 该工作中研究人员利用新颖的、碳缺陷驱动自发沉积新方法，构筑由缺陷石墨烯负载高分散、超小（< 1nm）且稳定的Pt原子级团簇（Pt-AC）水电解析氢(HER)电催化剂（图1）。理论研究表明：与完美六元环碳位点相比，缺陷碳位点具有更低的表面功函数、更高的还原能力，从而在缺陷位点处优先触发Pt离子自发沉积。碳缺陷与Pt之间更强的结合能力有效限制了自发还原Pt原子的迁移，确保超小Pt-AC的形成和稳定。上海光源同步辐射进一步验证了Pt-AC与碳缺陷之间较强的电子作用，赋予其有别于传统Pt纳米颗粒独特的电子结构。Pt-AC呈现了优异的HER电催化性能，与传统Pt/C催化剂相比，其质量比活性、Pt原子利用效率和稳定性均得到大幅提升。组装的质子交换膜水电解器件在实现安培级产氢电流的同时，阴极Pt用量降低到约1/10，且展现出优异的稳定性。本项目的进展将对氢能领域的发展和实现氢能经济具有重要的科学和实践意义。
该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项等资助。
文章来源：上海高研院
杨辉，男，博士、上海高研院研究员、博士生导师、现任中国科学上海高等研究院储能技术实验室主任、科技部“863”计划先进能源技术领域主题专家、科技部"973"计划纳米重大研究项目首席科学家、美国NSF资助的纽约城市大学Center for Exploitation of Nanostructures in Sensors and Energy Systems国际合作伙伴、中国能源学会理事。1997年于中国科学院长春应用化学研究所获博士学位，2000年8月~2005年10月先后在日、法和美做博士后或研究工作，与美、英等国研究机构建立了实质性国际合作。2005年10月作为引进国外杰出人才到中国科学院工作；2006年获中国科学院“百人计划”择优支持，同年入选上海浦江人才计划。长期从事新型化学电源及相关材料的研究，在燃料电池纳米电催化剂及其耐久性研究、膜电极集合体的研发、直接甲醇燃料电池关键技术的解决和系统集成方面开展了大量的工作。已在Chem. Commun.、J. Catal.和J. Phys. Chem. B&C等国内外杂志上发表论文100多篇，获他引约800余次。发表的论文曾获"Top-25 most cited articles" as published in J. Electroanal. Chem. (2005-2009), Elsevier论文引用奖。已申请发明专利20件，其中9件已授权；200年以第一作者在科学出版社出版编著1部，已连续12次印刷。主持并完成了包括国家科技部“863”计划、预研项目、基础科研、国家自然科学基金等各类项目10多项；现正主持"973"计划纳米研究项目、国家自然科学基金、技术基础科研等项目多项。主要研究方向为微型燃料电池、纳米电催化、新型储能材料与技术。
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发表于 2020-3-30 17:10:39
