刘勇教授团队在Nature子刊《Nature Communications》发表电催化最新研究成果

发布：2023-03-23 17:36 来源：材料科学与工程国际化示范学院

新闻网讯 近日，我校材料科学与工程国际化示范学院（材料与微电子学院）刘勇教授团队在燃料电池阴极氧还原反应电催化剂的设计研究上取得重大突破，成果以“Mesoporous Pt@Pt-skin Pt₃Ni core-shell framework nanowire electrocatalyst for efficient oxygen reduction”为题，于3月18日在线发表在国际顶级期刊Nature的子刊 Nature Communications （Nat. Commun. 2023，14，1518）上。这也是刘勇教授课题组继去年在国际材料领域顶级期刊《Advanced Materials》(Adv. Mater. 2022, 2204342) 上发表各向异性单晶钙钛矿光电材料之后又一重大研究进展。

落实“双碳”战略目标，发展新能源体系的高性能催化材料是关键。燃料电池技术是解决未来可持续新能源供应的一个优选方案，特别是在电动汽车领域。氧还原反应（ORR）是燃料电池新能源技术的核心反应，是燃料电池实现商业化应用的关键。然而，常见ORR反应催化剂都是贵金属，其中铂（Pt）是目前ORR公认性能最好的电化学催化剂。但Pt在地壳中的储存量少且价格昂贵，导致其在燃料电池领域的大规模应用受阻。如何提高Pt催化剂的原子利用率、反应活性和稳定性一直是发展燃料电池等能源技术的核心问题。

目前，材料化学家们主要是通过调控催化剂的微观结构和化学组分来提高Pt的利用率和催化性能，将Pt和其他廉价金属（如Ni，Fe等）合金化并制备成三维（3D）多孔框架结构是一种很有前途的方法。该方法不仅可以极大降低催化剂中Pt的含量，而且可以最大限度地暴露高活性位点。此外，一维（1D）纳米结构由于其固有的各向异性、较高的导电性以及与碳载体存在更大的表面接触，被认为是提高Pt催化剂稳定性的最有效途径。因此，从理论上讲，如果能综合3D多孔纳米框架和1D纳米各向异性来设计Pt基催化剂，不仅可以使Pt基催化剂的原子利用率最大化，而且将极大提高Pt基催化剂的活性和稳定性，从而获得性能最佳的ORR催化剂。

为此，武汉理工大学刘勇教授课题组近日设计合成出一维各向异性介孔Pt@Pt-skin Pt₃Ni核-壳框架纳米线（CSFWs）高效电催化剂。该催化剂由一维超细Pt纳米线（~3 nm）和介孔Pt-skin Pt₃Ni框架核-壳异质构筑，具有优异的电催化活性、稳定性和高Pt原子利用率。在ORR催化反应中，该催化剂的质量活性（MA）和比活性（SA）高达6.69A/mgpt和8.42mA/cm2，分别是商用Pt纳米催化剂的29倍和26倍；同时催化剂也表现出优异的稳定性，50000次循环后其活性衰减不到3%。

介孔Pt@Pt-skin Pt₃Ni核-壳框架纳米线（CSFWs）的制备表征及性能图

该介孔Pt@Pt-skin Pt₃Ni核-壳框架纳米线结合了三维开放的孔结构和一维各向异性的优点，有效地解决了Pt基催化剂在燃料电池阴极氧还原反应（ORR）中的瓶颈问题。该工作得到了武汉理工大学生命复合材料实验室平台、武汉理工大学麦立强教授团队和复旦大学赵东元院士团队的大力支持，获得国家自然科学基金重大项目和面上项目和武汉理工大学科研启动经费的资助。

刘勇，武汉理工大学教授，博士生导师，省部级高层次青年人才。2015年在复旦大学获理学博士学位（导师赵东元院士），随后在复旦大学（2015-2016，合作导师赵东元院士）、加州大学伯克利分校（2016-2019，合作导师杨培东院士）从事博士后研究。2020年回国加盟武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院（材料与微电子学院），主要从事新型功能半导体微电子/多孔材料的可控合成、界面自组装及其在新能源转换与存储等领域的创新应用研究。