關于有序多孔高效鉑基燃料電池催化劑的研究獲進展

氫能燃料電池（PEMFC）具有綠色低碳的優點，是應對未來氣候變化、能源需求劇增等挑戰的重要手段之一。作為PEMFC陰極反應的關鍵過程，氧還原反應（ORR）的效率決定電池的性能、壽命與成本，而鉑（Pt）基催化劑是燃料電池中促進這一反應的常用催化劑。目前，在商業使用的碳載鉑（Pt/C）催化劑中，Pt活性組分多無序分布于碳載體表面，導致活性位點分布不均；在燃料電池工作過程中，Pt與載體的相互作用降低，造成Pt納米顆粒的脫落、遷移與團聚，導致PEMFC的性能衰減。 

　　中國科學院廣州能源研究所制氫與利用研究室基于分子自組裝方法，以吡啶N結構的嵌段共聚物（BCP）為結構導向劑，原位絡合Pt前驅體，與碳源模板劑自組裝，經過碳化、表面改性和還原等后處理手段，得到高度有序的三維蜂窩狀Pt基介孔納米材料（Pt/N-OHC）。研究表明，Pt/N-OHC作為一種可控高維度介孔材料，兼具小尺寸效應、表面效應等納米尺度的特有性質和長程有序宏觀性質。蜂窩結構的催化劑層厚度較小，Pt活性位點層次分布于孔道表面和垂直孔的邊界，符合Middelman關于理想電極催化層的設定，有利于活性位點的充分利用和多相反應物質的傳輸。研究進一步發現，有序多孔蜂窩結構來源于自組裝的結構控制，而Pt組分與蜂窩結構中的N通過金屬-載體間強相互作用（MSI）形成的Pt-N配位鍵能夠抑制Pt遷移團聚，提高Pt活性組分穩定性，其本身還可以作為活性位點，有效降低ORR反應中的能壘。同時，研究調整BCP自組裝過程中的參數，可以實現Pt活性組分從單原子到超細納米顆粒（粒徑低至2.5 nm）的控制和蜂窩結構的厚度控制（20 nm-60 nm），從而更好地調控ORR電催化活性。 

　　相關研究成果以Three-Dimensional Ordered Honeycomb Nanostructure Anchored with Pt-N Active Sites via Self-Assembly of Block Copolymer: An Efficient Electrocatalyst towards Oxygen Reduction Reaction in Fuel Cells為題，發表在Journal of Materials Chemistry A上。研究工作得到中科院STS重點項目和廣州市科技計劃項目的支持。中科院沈陽金屬研究所科研人員參與研究。 

　　論文鏈接 

3D有序蜂窩狀多孔結構負載Pt活性組分及其ORR電催化性能研究