新型催化剂燃料电池实现3万次大功率放电循环

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教授实验研究组与工程科学学院现代力学系吴恒安教授理论计算研究组合作合成了超小尺寸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，经过3万次循环耐久性试验，仍能保持81.5%的放电功率，实现了燃料电池的高功率放电和长期循环稳定性，揭示了电池内三相界面的传质机理。相关成果日前在《美国科学院院报》上发布。

与其他类型的电池相比，质子交换膜燃料电池具有放电功率高、无污染等优点，其中阴极氧还原反应是电池整个反应的快速控制步骤。铂基金属间化合物由于其长程有序结构，在稳定性方面具有天然优势，是下一代商业化的燃料电池氧还原催化剂体系。目前，铂基金属间化合物仍存在粒径大等问题，导致铂利用率和质量活度降低，成为制约燃料电池性能提升的关键瓶颈之一。

为了应对这一挑战，吴教授的团队合成了一系列超小尺寸约2纳米的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的燃料电池的功率密度比商用燃料电池高530毫瓦/平方厘米。在耐久性试验中，超小金属间化合物颗粒的质量活度在30000次循环后仍可达到0.75 amp/mg。同时，位于介孔碳中的铂基金属间化合物颗粒有利于燃料电池工作条件下三相界面的优化。理论计算表明，质子和氧可以在介孔中高效传输和动态平衡，大大降低了电池的传质阻力，防止离聚物毒害电池催化剂。

研究结果从纳米到中尺度系统优化了燃料电池膜电极催化剂的结构设计，实现了高性能化表达，为燃料电池阴极催化材料提供了新思路。