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燕大合成世界首例超细超长铂纳米线,质子交换膜燃料电池阴极催化剂研究取得重要进展

文章作者:新闻中心 上传时间:2019-11-20
我国合成迄今最大长径比超细铂纳米线

近日,燕山大学环境与化学工程学院高发明教授课题组在国际化学类顶尖杂志《美国化学会志》上发表了关于超细铂纳米线研究方面的重要成果。该成果利用胰岛素纤维的线性结构以及特定的活性基团诱导合成直径仅为1.8nm、长径比大于10000的超细超长铂纳米线。迄今为止,合成如此大数值长径比的超细铂纳米线在世界尚属首例。

近日,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心和化学与材料科学学院曾杰教授课题组与湖南大学黄宏文教授合作,研制了一种兼具优异的催化活性及稳定性的质子交换膜燃料电池阴极催化剂。该成果以“One-Nanometer-Thick PtNiRh Trimetallic Nanowires with Enhanced Oxygen Reduction Electrocatalysis in Acid Media: Integrating Multiple Advantages into One Catalyst”为题,发表在《美国化学会志》杂志上(J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 16159-16167),论文的共同第一作者是博士研究生李衎和李星星博士。

本报讯近日,燕山大学环境与化学工程学院教授高发明课题组利用胰岛素纤维的线性结构以及特定的活性基团诱导合成了直径仅为1.8nm、长径比大于104的超细、超长铂纳米线。这是国际上首次合成如此大数值长径比的超细铂纳米线。相关成果日前发表于《美国化学会志》。金属铂性能优异,用途广泛,但其资源却非常有限。为了解决此问题,人们采用铂的纳米化来提高其性能,减少用量。铂纳米线因具有较大的长径比、较少的缺陷位点、较少的晶界以及较多的表面原子,呈现出很高的催化活性,可以极大地减少铂催化剂的用量,在燃料电池、生物传感器、石油化工等领域具有十分广阔的应用前景。为此,合成高质量的铂纳米线、最大限度地提高铂催化剂的性价比已经成为世界科学研究的热点和工业竞争的焦点。然而,目前,国际上合成的铂纳米线存在直径较粗或长径比较小、产率不高等不足,制备既有超细直径又具高长径比的高质量铂纳米线仍然面临极大挑战。在题为《胰岛素类淀粉纤维:控制合成具有较高电催化活性的超细超长铂纳米线的杰出平台》的研究论文中,高发明课题组发展了一种基于生物蛋白分子诱导控制合成超细铂纳米线的新方法,该项研究在超细、超长铂纳米线的可控合成以及性能研究方面取得了新的进展。制备的超细铂纳米线经循环伏安测定,对甲醇氧化反应的单位面积催化活性相比于市售的铂碳催化剂提高了18%,显示出优良的催化活性,在工业催化和分析检测等领域具有广阔的应用前景。《中国科学报》 (2012-07-07 A1 要闻)

铂纳米线因其具有较大的长径比、很高的催化活性,可以极大地减少铂催化剂的用量,在燃料电池、生物传感器、石油化工等领域具有十分广阔的应用前景。

质子交换膜燃料电池具有零排放、能量效率高、功率可调等优点,是未来电动汽车中最理想的驱动电源,具有广阔的市场前景。但是质子交换膜燃料电池的阴极端氧还原反应的动力学十分缓慢,需要使用大量贵金属铂纳米催化剂作为电极催化剂来维持质子交换膜燃料电池的高效运转,这使得质子交换膜燃料电池的成本十分高昂,限制了其大规模商业化应用。为此,减少质子交换膜燃料电池中贵金属铂的用量具有重要意义。在铂基催化剂中,提高铂基催化剂在氧还原反应中的质量活性以及催化稳定性是降低贵金属铂用量的途径。目前,许多已报道的铂基催化剂拥有卓越的质量活性,但其中绝大部分催化剂的稳定性并不可观,这是由于高质量活性所依赖的结构在热力学不能够稳定存在,研制兼具高质量活性和优良的稳定性的铂基催化剂极具挑战性。

一维超细铂基金属纳米线的微结构及氧还原催化反应性能

面对这一难题,研究人员通过精细调控铂基催化剂的维度、尺寸、组分,研制了超细的铂镍铑三元金属纳米线催化剂。由于该纳米线的直径仅有一纳米,其表面铂原子占整体铂原子比率高于50%,展现了超高的原子利用率,为高的催化质量活性提供了结构基础。氧还原催化测试表明,碳负载的超细铂镍铑三元金属纳米线催化剂的质量活性是目前商用铂碳纳米催化剂的15.2倍。与此同时,碳负载的超细铂镍铑三元金属纳米线催化剂在氧气气氛下循环使用10000次后,只有12.8%的质量活性性能损失,而与之相对的商用Pt/C催化剂在氧气气氛下循环使用10000次后,质量活性性能损失达到了73.7%。相较于目前商业铂碳纳米催化剂,碳负载的超细铂镍铑三元金属纳米线催化剂在质量活性和催化稳定性方面都有显着的提高,展现出很好的应用潜力。

该研究得到了中科院前沿科学重点研究项目、国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、博士后科学基金等项目的资助。

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