新型催化劑有效提升燃料電池性能

　　科技日報訊 （記者趙漢斌）記者10月29日從昆明理工大學獲悉，該校化學工程學院與香港科技大學合作，通過制備非貴金屬單原子催化劑，有效提升了燃料電池的氧還原反應活性，在燃料電池催化劑領域取得重要突破。相關成果發表于國際期刊《德國應用化學》。

　　燃料電池作為一種清潔能源技術，其規模化應用面臨的一大挑戰是鉑等貴金屬催化劑的成本高昂，同時活性和耐久性也存在不足。鐵-氮-碳材料是最有可能取代鉑、應用于燃料電池的非貴金屬催化劑。沸石咪唑型金屬有機框架是合成高性能鐵-氮-碳材料最有效的前驅體之一。然而，傳統沸石咪唑型金屬有機框架衍生制備的鐵-氮-碳催化劑為微孔材料，不利于傳質。此外，其活性位點為平面鐵-氮結構，活性仍有待提升。

　　為此，昆明理工大學博士馮東、副教授李金成、教授梅毅與香港科技大學教授邵敏華組成的研究團隊，創新性地提出了一種氧化鋅輔助策略。他們利用棒狀氧化鋅水解產生的鋅離子與2-甲基咪唑反應，成功制備了氯化血紅素修飾的沸石咪唑型金屬有機框架薄膜。通過進一步熱解，他們得到了中空管狀鐵-氮-碳材料。這種材料的管壁布滿有層次的介孔和微孔，鐵-氮活性位點可被巧妙地錨定在這些納米孔內部，形成了彎曲應力，從而顯著提高了催化活性。

　　實驗結果顯示，鐵-氮-碳材料在氧還原反應中表現出色，在堿性條件下半波電位高達0.925伏，在酸性介質中也能達到0.825伏。當這種材料作為陰極催化劑應用于質子交換膜燃料電池和鋅空氣電池時，電池功率密度同樣表現出極高的水平。例如，氫空氣條件下，其功率達每平方厘米715毫瓦，遠高于傳統鐵-氮-碳材料每平方厘米175毫瓦的水平。

　　此外，研究團隊還通過原位變溫高能X射線衍射和相關理論計算，深入揭示了催化劑的合成機制及其電催化氧還原反應的機理，為能源器件中高性能催化劑的設計、制備及其催化機制的研究提供了新的思路。