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重慶大學宏量制備高性能廉價燃料電池催化劑研究獲進展

質子交換膜燃料電池具有能量轉換效率高和環境友好等優點,是電動汽車的終極發動機。但燃料電池電動汽車的商業化,目前受制于其碳載鉑催化劑的高成本和短壽命。在國家自然科學基金和國家”973″重大基礎研究計劃的支持下,我校化學化工學院魏子棟教授研究團隊(丁炜,李莉,陳四國,齊學強等),在宏量制備廉價、高性能氮參雜石墨烯(NG)燃料電池催化劑方面取得重要進展,相關研究成果以全文形式(Article)發表在近期出版的《美國化學會志》上(Journal of the American Chemical Society, 2015, DOI: 10.1021/jacs. 5b00292)。

2013年,該團隊在國際上首次通過”NG分子結構—NG電導率—氧還原(ORR)催化活性”關聯,發現三種氮參雜NG材料中,生長在邊沿位的吡啶型和吡咯型具有二維平面結構,因保持了石墨烯原有的平面共轭大π鍵結構,具有良好的導電性,因而具有優異的ORR催化活性。相關工作發表在《德國應用化學》上(Ding Wei, Wei Zidong,* et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52 (45), 11755-11759)。在此工作的基礎上,他們通過對含氮聚合物無機鹽水溶液混合物的蒸發重結晶,将含氮聚合物固化在無機鹽晶體中。利用無機鹽結晶的鹽封效應,避免了傳統直接碳化過程的嚴重燒失問題、高季胺氮參雜問題,結構坍塌問題;避免了傳統模闆法模闆去除與納米催化劑分離的困難問題;巧妙地将低溫下聚合物的形态最大限度地保留到高溫碳化後的終極産品。此外,由于鹽封局域空間的限域效應,摻氮石墨烯中以具有二維平面結構吡啶型和吡咯型為主,最大限度的抑制了撐開型季胺氮參雜型NG;同時,由于鹽封效應,在碳化過程中NG内部形成大量的氣蝕孔,NG片邊沿和及内孔邊沿的大量存在,有利于吡啶型和吡咯型氮參雜NG的形成,使活性中心數量倍增。以該材料為正極催化劑的質子交換膜燃料電池輸出功率達600mW/cm2,為世界領先水平。加速老化試驗顯示該催化劑非常穩定。該研究成果意味着,NG催化劑在催化性能上已經具備了完全替代碳載鉑催化劑的能力,長期困擾燃料電池實用化的催化劑高成本和短壽命問題将不再是瓶頸問題。

該研究的相關技術成果已事先申報了國家發明專利。

Ding, Wei; Li, Li; Xiong, Kun; Wang, Yao; Li, Wei; Nie, Yao; Chen, Siguo; Qi, XueQiang; Wei, Zidong*, Shape Fixing via Salt Recrystallization: A Morphology-Controlled Approach to Convert Nano-structured Polymer to Carbon Nanomaterial as a High Active Catalyst for Oxygen Reduction Reaction, Journal of the American Chemical Society, 2015, DOI: 10.1021/jacs.5b00292.

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