近日，中科院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士鄧德會、研究員潘秀蓮、院士包信和等與潔凈能源國家實(shí)驗(yàn)室燃料電池研究部合作，首次完成用鐵替代燃料電池催化劑中貴金屬的實(shí)驗(yàn)。相關(guān)研究成果日前在線發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》。
據(jù)了解，利用氫氣發(fā)電是未來先進(jìn)可持續(xù)能源體系發(fā)展的重要目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，作為重要能量轉(zhuǎn)換裝置的質(zhì)子交換膜燃料電池將會發(fā)揮不可替代的作用。然而，該類燃料電池需要大量的貴金屬，如鉑、鈀、釕等作為催化劑，進(jìn)而影響了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，大幅降低燃料電池電極材料中的貴金屬含量，并最終采用地球上豐富的“廉”金屬元素完全替代貴金屬已成為該領(lǐng)域的重大機(jī)遇和挑戰(zhàn)。
為此，該研究團(tuán)隊創(chuàng)造性地將鐵基金屬納米粒子限域到具有豆莢狀結(jié)構(gòu)的碳納米管的管腔中，采用該研究組新近研制成功的深紫外光發(fā)射電子顯微鏡，并借助上海光源先進(jìn)的X射線吸收譜，結(jié)合理論計算，首次觀察到金屬鐵的活性d電子通過與組成碳管壁的碳原子相互作用而“穿過”碳管管壁，使富集在碳管外表面的電子直接催化分子氧的還原反應(yīng)。
該實(shí)驗(yàn)和理論研究進(jìn)一步證實(shí)，在這一體系中，包裹納米金屬鐵的碳壁阻斷了反應(yīng)氣體與鐵納米粒子的直接接觸，從原理上避免了反應(yīng)過程中活性金屬鐵納米粒子的深度氧化以及反應(yīng)氣氛中其他有害組分對催化劑的毒害，從而在根本上解決了納米金屬鐵作為燃料電池陰極催化劑的穩(wěn)定性難題。
業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，該項研究不僅為燃料電池催化劑的貴金屬替代研究提供了行之有效的途徑，而且，由此發(fā)展出來的概念為在苛刻條件下運(yùn)行的催化劑的設(shè)計和制備開辟了新方向。
以上研究得到了國家自然科學(xué)基金委和科技部等相關(guān)項目的資助。
