新型催化剂燃料电池实现3万次循环高功率放电

  记者从中国科学技术大学获悉，该校化学与材料科学学院吴长征教授实验课题组和工程科学学院近代力学系吴恒安教授理论计算课题组合作，合成了超小尺寸的铂基金属间化合物电催化剂，基于该催化剂组装的质子交换膜燃料电池在3万次循环耐久性测试后仍然能维持81.5%的放电功率，实现燃料电池的高功率放电和长久循环稳定性，并揭示了电池内三相界面的传质机理。相关成果日前发表在《美国科学院院报》上。

  质子交换膜燃料电池相对于其他种类电池具有放电功率大、无污染等优势，其中阴极氧还原反应是电池全反应的速控步骤。铂基金属间化合物，因其长程有序结构在稳定性上有着天然优势，是下一代燃料电池商用氧还原催化剂体系。当前，铂基金属间化合物依然存在颗粒尺寸较大等问题，导致铂利用率和质量活性降低，成为制约燃料电池性能提升的关键瓶颈问题之一。

  针对这一挑战，吴长征教授团队合成了系列具有2纳米左右超小尺寸铂基金属间化合物颗粒。由超小尺寸Pt3Co金属间化合物颗粒组装出燃料电池，比商业化燃料电池的功率密度高出530毫瓦/平方厘米。在耐久性测试中，超小尺寸的金属间化合物颗粒在3万圈循环后质量活性依然可以达到0.75安培/毫克。同时，位于介孔碳内部的铂基金属间化合物颗粒有利于燃料电池工况下三相界面优化。理论计算表明，介孔内部可以高效地完成质子和氧气的传输并实现动态平衡，大大降低电池传质阻力，同时防止离聚物对电池催化剂的毒化作用。

  这项研究成果从纳米到介观尺度系统优化了催化剂在燃料电池膜电极中的结构设计并实现高性能表达，为燃料电池阴极催化材料提供了新思路。

（原载于《科技日报》 2021-08-30 01版）