《Science》报道上交大等开发出新型超低铂ORR催化剂

11月9日，国际顶级期刊《Science》在线发表了美国阿贡国家实验室种丽娜博士、刘迪嘉研究员（通讯作者）、普渡大学 Jeffery Greeley教授、上海交通大学材料科学与工程学院轻合金中心邹建新教授、丁文江院士等人的合作研究论文：Ultralow-loading platinum-cobalt fuel cell （ http://science.sciencemag.org/content/early/2018/11/07/science.aau0630 ）。

该文章针对目前氢燃料电池汽车的膜电极（MEA）用氧还原（ORR）催化剂铂含量高，价格昂贵的问题，开发了一种新型的超低铂ORR催化剂，不仅具有超高的催化活性（1.77A／mg Pt@0.9V ，4倍于DOE 2020 目标0.44A／mg Pt@0.9V ），极低的铂含量（0.033mg pt／cm2），而且可在氢燃料电池环境中耐受30000次以上电化学循环测试。本研究从Co基沸石咪唑结构框架材料（MOF）出发，在含铂、氨环境中进行热处理，获得了具有Co、N掺杂的石墨烯结构基底（Co-Nx-Cy），并在该基底上生长出以Pt-Co合金为核心，4-5层Pt原子为壳层的纳米粒子（ Pt-Co@Pt ）。以往的研究表明，Co-Nx-Cy基底自身具有ORR活性，但是其活性位点易遭到ORR过程中间产物H2O2的攻击而失去催化活性。基于第一性原理的计算显示，Pt与Co-Nx-Cy基底上的活性位点Co-N4基团具有较强的相互作用，Co-N4基团上产生的H2O2可转移至 Pt-Co@Pt 纳米颗粒上从而被分解，这种协同作用使得无铂基底与含铂纳米粒子共同产生强ORR效果，并具有长时间的催化稳定性。该项研究表明，使用新型超低铂催化剂可将100kW级燃料电池汽车的铂用量控制在3g以内（业界最高水准的丰田Mirai氢燃料电池用铂量约20g），已非常接近普通燃油汽车尾气三元催化剂的铂用量水平（～0.25-3g），这为氢燃料电池汽车的大规模推广奠定了基础。本研究部分得到了材料基因组国家重点研发计划项目（2016YBF0701200）和国家自然科学基金项目（51771112）的资助。

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论文第一作者种丽娜2016年12月毕业于上海交通大学材料科学与工程学院获博士学位,指导老师是邹建新教授，随后作为博士后研究员正式加入美国阿贡国家实验室，她的研究工作获得了多项美国能源部项目资助，已在Science，Advanced Mater.，Science专刊, Nano letters, J. Mater. Chemistry A等国际重要期刊上发表14篇文章，2017年获得全美Maria Goppert Mayer奖，2018年获得中国材料研究学会优秀博士论文奖。