北航相艳教授课题组：用于燃料电池阴极氧还原反应的单原子铜催化剂

Alisa 5年前 (2019-07-20) 5447浏览

北京航空航天大学相艳课题组成功制备了用于燃料电池阴极氧还原反应的单原子铜催化剂，该研究成果“A copper single-atom catalyst towards efficient and durable oxygen reduction for fuel cells”发表在Journal of Materials Chemistry A上，并于当期封面做简要介绍。论文的第一作者是北航空间与环境学院2018级博士生崔丽婷，通讯作者为北航空间与环境学院相艳教授、卢善富研究员、王海宁副教授。

随着能源和环境问题日益突出，燃料电池作为一种将化学能转换为电能的装置，因其高效、清洁而备受关注。然而，阴极氧还原反应（ORR）动力学相对较慢，严重依赖贵金属Pt催化剂，成为制约燃料电池大规模应用的一个重要因素。因此，发展ORR低铂/非铂催化剂对推进燃料电池大规模应用具有重要意义。过渡金属单原子催化剂（SAC）在单电极表征中展现出了优异的ORR性能，近年来引起了极大的关注。在以往的研究报道中，过渡金属多为Fe、Co、Ni等。金属Cu是从多种生命形式中ORR的中心原子，然而，仅有少数基于Cu SAC的ORR催化剂的研究报道。此外，很少有关于Cu SAC在燃料电池中的应用报道。

相艳课题组以酞菁铜为前驱体，采用简单热解法制备了单原子铜催化剂。该催化剂在碱性介质中表现出良好的ORR性能，其半波电位为0.81 V (vs. RHE)，比商业化Pt/C相差30 mV。同时显示出优异的耐久性，在碱性介质中5000次循环后，半波电位仅有9 mV的负移。基于该催化剂的阴离子交换膜燃料电池在70℃下的峰值功率密度可达196 mW cm-2。密度泛函理论计算表明从HOO*到O*的过程是影响其ORR性能的关键步骤。Cu SAC有望成为一种用于燃料电池的非贵金属ORR催化剂。

封面：

图1 Cu SAC的透射电镜照片

图2 Cu SAC的谱学表征

图3 Cu SAC的ORR性能表征

图4 Cu SAC的ORR性能表征

图5 Cu SAC的ORR稳定性

图6 Cu SAC的ORR耐久性

图7 基于Cu SAC的阴离子交换膜燃料电池性能

图8 通过密度泛函计算得到的Cu SAC的ORR反应路径

本工作获国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C9TA03518D

本文由北京航空航天大学相艳教授课题组供稿。

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