新型催化劑燃料電池實現3萬次循環高功率放電

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科技日報合肥8月29日電 （記者吳長鋒）記者從中國科學技術大學獲悉，該校化學與材料科學學院吳長征教授實驗課題組和工程科學學院近代力學系吳恆安教授理論計算課題組合作，合成了超小尺寸的鉑基金屬間化合物電催化劑，基於該催化劑組裝的質子交換膜燃料電池在3萬次循環耐久性測試後仍然能維持81.5%的放電功率，實現燃料電池的高功率放電和長久循環穩定性，並揭示了電池內三相界面的傳質機理。相關成果日前發表在《美國科學院院報》上。

質子交換膜燃料電池相對於其他種類電池具有放電功率大、無污染等優勢，其中陰極氧還原反應是電池全反應的速控步驟。鉑基金屬間化合物，因其長程有序結構在穩定性上有着天然優勢，是下一代燃料電池商用氧還原催化劑體系。當前，鉑基金屬間化合物依然存在顆粒尺寸較大等問題，導致鉑利用率和質量活性降低，成為制約燃料電池性能提升的關鍵瓶頸問題之一。

針對這一挑戰，吳長征教授團隊合成了系列具有2納米左右超小尺寸鉑基金屬間化合物顆粒。由超小尺寸Pt3Co金屬間化合物顆粒組裝出燃料電池，比商業化燃料電池的功率密度高出530毫瓦/平方釐米。在耐久性測試中，超小尺寸的金屬間化合物顆粒在3萬圈循環後質量活性依然可以達到0.75安培/毫克。同時，位於介孔碳內部的鉑基金屬間化合物顆粒有利於燃料電池工況下三相界面優化。理論計算表明，介孔內部可以高效地完成質子和氧氣的傳輸並實現動態平衡，大大降低電池傳質阻力，同時防止離聚物對電池催化劑的毒化作用。

這項研究成果從納米到介觀尺度系統優化了催化劑在燃料電池膜電極中的結構設計並實現高性能表達，為燃料電池陰極催化材料提供了新思路。