【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授梁海偉課題組與北京航空航天大學(xué)教授水江瀾課題組等合作，發(fā)展了一種高溫硫錨定合成方法學(xué)，實現(xiàn)了小尺寸金屬間化合物(IMCs)燃料電池催化劑的普適性合成，成功構(gòu)建出由46種Pt基二元和多元IMCs催化劑組成的材料庫，并基于該材料庫發(fā)現(xiàn)了IMCs電催化氧還原活性與其二維晶面應(yīng)力之間的強關(guān)聯(lián)性。該項研究成果發(fā)表在國際期刊《科學(xué)》上。
 

　　金屬間化合物又稱原子有序合金，具有規(guī)整的表面或近表面原子有序排列結(jié)構(gòu)和獨特的電子特性，在眾多化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能并因此受到廣泛關(guān)注。特別是在質(zhì)子交換膜燃料電池領(lǐng)域中，Pt基IMCs有望成為新一代低Pt陰極氧還原催化劑并大幅降低燃料電池核心部件膜電極的成本。雖然在熱力學(xué)上，IMCs結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的無序固溶體合金結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定相，但IMCs的合成往往需要高溫熱處理來克服固相中原子有序化重排的動力學(xué)能壘。然而，高溫熱處理不可避免會造成金屬顆粒的嚴重燒結(jié)和活性金屬表面積的降低，并最終導(dǎo)致Pt利用率的下降和燃料電池成本的大幅提升。因此，發(fā)展小尺寸Pt基IMCs催化劑的合成方法是大幅降低燃料電池成本的關(guān)鍵所在。
 

　　在該項工作中，研究人員基于梁海偉課題組近期在金屬—碳載體強相互作用領(lǐng)域取得的系列成果，使用硫摻雜碳(S-C)為載體，發(fā)展了一種高溫硫錨定合成策略，構(gòu)建出由46種小尺寸Pt基IMCs催化劑組成的材料庫，包括20種二元(囊括了所有3d過渡金屬元素和數(shù)種p區(qū)元素)以及26種多元IMCs。系列譜學(xué)表征證實Pt和碳載體中摻雜的硫原子之間存在強鍵合作用，該作用極大程度上抑制了合金顆粒在高溫下的燒結(jié)，從而能夠在高溫下形成平均尺寸小于5納米的IMCs催化劑。X射線衍射和球差電鏡表征證明了IMC物相的成功合成、小尺寸性、高度有序性以及規(guī)整的原子有序排列結(jié)構(gòu)。
 

　　基于構(gòu)建的龐大、完備的材料庫，研究人員發(fā)現(xiàn)IMCs電催化氧還原本征活性與其二維晶面應(yīng)力存在強關(guān)聯(lián)性：在很寬的壓縮應(yīng)變范圍內(nèi)，其氧還原活性隨著壓縮應(yīng)變的增加呈現(xiàn)單調(diào)上升趨勢。該現(xiàn)象不同于現(xiàn)有經(jīng)典理論預(yù)測的火山關(guān)系趨勢。研究人員猜測，由于存在壓縮應(yīng)變弛豫現(xiàn)象，最外層原子的真實壓縮應(yīng)變會顯著小于測量值，從而無法表現(xiàn)出存在峰值的火山曲線關(guān)系。基于此，研究人員進一步預(yù)測：若能進一步通過減小IMCs的晶格常數(shù)增大壓縮應(yīng)變，將有望將催化活性推向峰值。
 

　　研究所制備的部分IMCs催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化氧還原性能。特別是氫氧燃料電池測試表明，PtNi IMC催化劑展現(xiàn)出記錄性催化活性(0.9V電壓下，質(zhì)量活性高達1.84 A/mgPt)。在氫空燃料電池測試中，盡管Pt用量比商業(yè)Pt/C催化劑低10倍以上，PtCo IMCs催化劑表現(xiàn)出與Pt/C催化劑相當?shù)碾姵匦阅堋＞哂谐蚉t負載的PtCo IMC陰極在高化學(xué)計量比氣流下達到了1.08 W/cm2的峰值功率密度，展現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用前景。未來通過對碳載體的多孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)進行優(yōu)化改性，有望降低局部氧傳輸阻抗來進一步提高氫空燃料電池性能。
 

　　本項工作的合作者還包括中科院高能物理研究所副研究員儲勝啟、中國科大同步輻射國家實驗室教授朱俊發(fā)、電子科技大學(xué)教授崔春華以及中國科大微尺度理化中心博士林岳。該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金、北京市自然科學(xué)基金重點研究專題以及中科院青促會的資助。