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轻合金中心与美国阿贡国家实验室联合在《Science》发表研究论文[图]
发布日期:2018/11/9 11:12:44 阅读次数:7257

11月9日,国际顶级期刊《Science》在线发表了美国阿贡国家实验室种丽娜博士、刘迪嘉研究员(通讯作者)、普渡大学 Jeffery Greeley教授、上海交通大学材料科学与工程学院轻合金中心邹建新教授、丁文江院士等人的合作研究论文《Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell catalysts derived from imidazolate frameworks》(http://science.sciencemag.org/content/early/2018/11/07/science.aau0630)。

该文章针对目前氢燃料电池汽车的膜电极(MEA)用氧还原(ORR)催化剂铂含量高,价格昂贵的问题,开发了一种新型的超低铂ORR催化剂,不仅具有超高的催化活性(1.77A/mg Pt@0.9V,4倍于DOE 2020 目标0.44A/mg Pt@0.9V),极低的铂含量(0.033mg pt/cm2),而且可在氢燃料电池环境中耐受30000次以上电化学循环测试。本研究从Co基沸石咪唑结构框架材料(MOF)出发,在含铂、氨环境中进行热处理,获得了具有Co、N掺杂的石墨烯结构基底(Co-Nx-Cy),并在该基底上生长出以Pt-Co合金为核心,4-5层Pt原子为壳层的纳米粒子(Pt-Co@Pt)。以往的研究表明,Co-Nx-Cy基底自身具有ORR活性,但是其活性位点易遭到ORR过程中间产物H2O2的攻击而失去催化活性。基于第一性原理的计算显示,Pt与Co-Nx-Cy基底上的活性位点Co-N4基团具有较强的相互作用,Co-N4基团上产生的H2O2可转移至Pt-Co@Pt纳米颗粒上从而被分解,这种协同作用使得无铂基底与含铂纳米粒子共同产生强ORR效果,并具有长时间的催化稳定性。该项研究表明,使用新型超低铂催化剂可将100kW级燃料电池汽车的铂用量控制在3g以内(业界最高水准的丰田Mirai氢燃料电池用铂量约20g),已非常接近普通燃油汽车尾气三元催化剂的铂用量水平(~0.25-3g),这为氢燃料电池汽车的大规模推广奠定了基础。本研究部分得到了材料基因组国家重点研发计划项目(2016YBF0701200)和国家自然科学基金项目(51771112)的资助。

 

 

论文第一作者种丽娜2016年12月毕业于上海交通大学材料科学与工程学院获博士学位,指导老师是邹建新教授,随后作为博士后研究员正式加入美国阿贡国家实验室,她的研究工作获得了多项美国能源部项目资助,已在Science,Advanced Mater.,Science专刊, Nano letters, J. Mater. Chemistry A等国际重要期刊上发表14篇文章,2017年获得全美Maria Goppert Mayer奖,2018年获得中国材料研究学会优秀博士论文奖。

 作者:程利芳

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