孙公权/王素力:揭示燃料电池铂基氧还原反应电催化剂的协同稳定机制

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近日，我所醇类燃料电池及复合电能源研究中心（DNL0305组）孙公权研究员和王素力研究员团队在高稳定性铂基氧还原反应电催化剂研究方面取得新进展。该团队报道了一种具有超高稳定性的核壳结构铂铑合金（PtRh/Pt）氧还原反应电催化剂，结合密度泛函理论（DFT）计算与AC-STEM、电化学等表征手段，揭示了该铂铑合金电催化剂的核壳结构的协同稳定机制。
　　氧还原反应的动力学速率较慢，在反应中需要使用大量铂基电催化剂。然而，铂基电催化剂的成本高、稳定性差，导致质子交换膜燃料电池难以大规模商业化应用。近二十年来，研究人员通过构建优势晶面和改变表面铂原子电子结构，开发出了高活性铂基合金（PtM）以减少铂用量。然而，这些合金电催化剂仍面临耐久性不足的问题，其在工况下金属组分发生溶解导致晶面破坏，以及由于表面铂原子电子结构的改变，从而导致质量活性急速衰减。因此，设计一种金属组分（包括Pt以及M）在工况下，均具有高度抗溶解性的超稳定铂基电催化剂仍具有挑战性。

　　本工作中，该团队通过油胺法制备出铂铑合金电催化剂，并通过组分—结构稳定性分析和DFT计算，发现铂铑合金在1万次加速耐久性测试循环过程中，可通过“自愈合”效应形成理想的铂壳层，该表层铂原子的溶解能高于纯铂。此外，研究还发现铑原子偏析能明显高于其它核壳结构中的钴和镍，这种铂铑合金核壳间的“协同效应”也同时有效地抑制了铂（Pt）和铑（Rh）的溶解，从而在长达9万次的加速耐久性测试循环后，其半波电位仅负移约5mV、质量活性仍保持88%。该铂铑合金催化剂的稳定性远高于商品铂炭催化剂，是迄今为止报道的耐久性最高的氧还原反应铂基电催化剂之一。该研究为设计高稳定Pt基氧还原反应电催化剂提供了重要思路。
　　相关研究成果以“Structural Evolution of a PtRh Nanodendrite Electrocatalyst and Its Ultrahigh Durability toward Oxygen Reduction Reaction”为题，发表在ACS Catalysis上。该工作的第一作者是我所DNL0305组博士研究生安召。该研究得到国家自然科学基金重大研究计划集成等项目的资助。（文/图 安召）
　　文章链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.1c05462


       文章来源：大连化物所
      ，中国科学院大连化学物理研究所研究员。1993年于中国科学院长春应用化学研究所获理学博士学位；1995年赴美国耶哥电化学科学中心，博士后；1997年         任长春应用化学研究所电化学研究室主任，环境友好化学部部长。1999年赴美国乔治亞理工学院、圣母大学，访问教授。2001年7月         作为国外引进杰出人才受聘于大连化学物理研究所，现任大连洁净能源国家实验室燃料电池研究部部长，兼任直接醇类燃料电池研究         组组长。孙公权研究员多年来一直致力于高比能、环境友好的直接醇类燃料电池、金属（Mg、Al、Zn等）/空气（O2、H2O2）储备电池以及电化学传感器件等研究开发工作。现为国家“973”计划项目首席科学家，总装型谱项目首席专家，中国科学院能源动力专家组专         家。《Fuel Cell》、《The Open Electrochemistry Journal》、《化学与物理电源系统》等多种学术期刊编委或客座编辑。先后主持承担了40余科研项目，获研究成果6项。在内外核心期刊发表研究论文180余篇（国外120余篇），累计他引4000余次。申请国内外发明专利85件（国外10余件）。参与编写著作3部，译著1部。培养博士/硕士研究生40余人，享有国务院政府特殊津贴。     


         王素力，女，1971年生。现任中国科学院大连化学物理研究所研究员，直接醇类燃料电池研究组副组长。1995年毕业于辽宁师范大学获学士学位，2000年于辽宁师范大学获硕士学位，2007年于中国科学院大连化学物理研究所获博士学位。自2000年以来一直从事直接醇类燃料电池（DAFC）的研究开发工作，主要研究方向包括电解质膜、膜电极等。在国内外学术期刊发表论文40余篇，申请中国发明专利20余项，获授权专利7项，参与翻译著作一部（排名第二），获大连市技术发明一等奖一项（排名第三）。