基于廉价炭黑、氮和痕量铁的高效氧还原电催化剂

电催化剂的电化学性能

燃料电池具有装置简单,能量转化效率高,环境友好的特点,是世界能源可持续发展的重要科技手段。然而,在目前大家研究的燃料电池中,昂贵的电催化剂如Pt, Pd, Ru 等严重制约燃料电池快速发展。近些年,以性能优异,价格低廉,稳定性高,抗毒化能力强的非贵金属电催化剂替代Pt等贵金属电催化剂得到了广大燃料电池科学工作者的高度关注。目前,大量的工作仍然集中在提高这类催化剂的电化学氧还原性能上,而如何在设法提高催化性能的同时,来进一步降低这类非贵金属电催化的成本仍然是亟待解决的问题。中国科学院长春应用化学研究所徐维林课题组针对这一问题,在综合文献和大量实验探索后,基于廉价活性炭,发明了一种超高性价比的燃料电池阴极氧还原催化剂,这类催化剂的成本不到商业炭载铂的万分之一

徐维林课题组以最廉价易得的活性炭(炭黑)为材料,通过调节掺杂的氮、铁元素的含量,得到了含有痕量铁元素的氮铁共掺杂的炭黑。研究发现,当铁的含量从0.02到20 wt%变化时,在氮的掺杂量为2.4 wt%, 铁的掺杂量为0.05 wt%时,得到的催化剂具有最高的氧还原电催化活性。在碱性测试环境下,氧还原的起始电位达到了+45.0 mV vs.SCE, 半波电位为-89 mV, 超越了目前有报道的非贵金属电催化剂和商业炭载铂催化剂。 除此之外,与商业炭载铂相比,该催化剂还具有抗CO毒化、CH3OH氧化的能力。在稳定性测试时发现,即使经过了30,000圈循环伏安扫描后,半波电位仅仅变化了12 mV。这比商业炭载铂在6000圈循环伏安后变化32 mV要小很多。利用该催化剂作为燃料电池阴极催化剂组装的碱性直接甲醇燃料电池放电测试时,其开路电压为0.8 V,高于使用相同载量的商业炭载铂的0.73 V。60℃下,最大放电功率密度为16.6 mW cm-2, 高于同样测试条件下以商业炭载铂做催化剂直接碱性燃料电池的最大放电功率13 mW cm-2

该研究首次得到了含有痕量铁、同时具有目前世界上最高性价比的燃料电池电催化剂,为实现燃料电池的商业化奠定了基础。该工作得到了国家973项目,自然科学基金,国家青年千人计划和中国科学院百人计划的支持。