9月27日,記者了解到,北京大學工學院郭少軍課題組研發了一類亞納米厚且高端卷曲的雙金屬鈀鉬納米片材料,其在堿性電解質中展現出卓越的氧還原反應(Oxygen reduction reaction,ORR)電催化活性和穩定性,突破了陰極反應的緩慢動力學對于相關電化學能源轉換/存儲器件的限制,顯著提升了鋅空電池和鋰空電池的性能。相關研究于2019年9月26日發表在《Nature》雜志上。


化石能源的日益枯竭及所造成的環境污染、氣候變化等危機急需增加可再生的清潔能源在社會能源體系中的比重。然而,可再生能源的間歇性特征以及常規電網在長途輸電過程中的高電能損耗和高造價等弊端極大地限制了可再生電能的直接使用。更為有效的方式為基于電化學轉換器件首先將可再生電能儲存于含能分子的化學鍵中,再將這些含能分子運輸至能源需求點并可控地釋放化學能。電化學反應承載了此類化學能與電能之間的轉換,其反應速率直接決定了能源轉換效率以及電化學器件的運行功率,因此控制反應速率的電催化劑至關重要。


燃料電池和金屬空氣電池是目前廣受關注的能源轉換裝置,其陰極ORR緩慢的動力學及所需較高的貴金屬催化劑用量極大地限制了這兩類能源技術的實際運用,從而急需開發高性能低成本的ORR電催化劑。由于其高活性和高穩定性等優勢,鉑族金屬(Platinum group metals, PGMs)納米材料是最常用的ORR電催化劑。郭少軍課題組之前的工作表明,理性控制金屬納米材料的表面應變可顯著提高ORR電催化活性(Science, 2016, 354, 1410; Nature Reviews Materials, 2017, 2, 17059)。基于前期工作基礎,郭少軍課題組研發了一類新型的亞納米厚且高度卷曲的雙金屬鈀鉬納米片(圖1);鑒于其結構類似于石墨烯及以往報道(Nature Communication 2014, 5, 3093),Z簡稱為“雙金屬烯”。

北大研制出新型“雙金屬烯”材料 可大幅提升電池性能

圖1. 鈀鉬雙金屬烯的結構表征。(a-c)電子顯微鏡圖片;(d, e)原子力顯微鏡圖片及厚度分析;(f)球差透射電子顯微鏡圖片


實驗結果表明PdMo雙金屬烯的超薄結構能顯著提高貴金屬Pd的原子利用率,實現超高的電化學活性面積(138.7 m2/gPd)。在0.9 V(參比于可逆氫電極)電位下,其ORR的質量活性高達16.37 A/mgPd,較商業Pt/C和Pd/C催化劑分別高出78和327倍,同時展現出優異的穩定性(30000圈循環掃描后,性能性能衰減低于30%)。密度泛函理論計算研究發現,雙金屬合金效應、幾何卷曲引起的應變效應以及亞納米尺寸引起的量子效應共同調控了表面Pd的電子結構,實現氧結合能的優化及氧還原催化性能的大幅提升(圖2)。

北大研制出新型“雙金屬烯”材料 可大幅提升電池性能

圖2. 鈀鉬雙金屬烯的性能評價及催化機理研究。(a)各催化劑的ORR極化曲線及(b)活性對比圖;(c)雙金屬烯的原子模型;(d)氧結合能與晶格應變的關系;(e)不同材料中Pd元素的d帶中心位置


PdMo雙金屬烯同時表現出優于商業氧化銥(IrO2)催化劑的析氧反應(oxygen evolution reaction, OER)活性。更重要的是,PdMo雙金屬烯作為陰極電催化劑極大地提升了鋅空和鋰空電池的充放電性能。該工作對氧反應電催化機理研究和新型高效燃料電池/金屬空氣電池陰極電催化劑的開發具有借鑒意義,為下一代高性能低成本電催化劑的理性設計提供了全新思路。

北大研制出新型“雙金屬烯”材料 可大幅提升電池性能

本工作得到了國家自然科學基金、北京首批杰出青年科學基金項目、國家重點研發計劃新能源汽車專項、北京大學工程科學與新興技術高精尖創新中心、中國博士后科學基金等項目支持。郭少軍教授為論文的唯一通訊作者。駱明川博士是論文的第一作者。合作者包含美國加州州立大學Gang Lu(盧剛)教授和美國布魯克海文國家實驗室Dong Su(蘇東)研究員。


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