纳米线和纳米管提升燃料电池电催化性能的新思路

世界经济现代化得益于化石能源。然而,这一经济载体在21世纪将迅速枯竭,且化石能源对环境影响显著。解决能源与环境问题最主要方法是大力发展可再生能源。锂离子电池由于其优良性能,在电子工业和电子产品中得到广泛应用。我国一直是世界上电池制造大国,目前电池产量和出口量都位居世界第一。锂离子电池同时也面临能量密度低、安全性差等固有问题。锂离子电池的飞速发展必然会导致锂资源的紧缺,从而影响其储能价格和大规模持续供给。

燃料电池是将化学能直接转化为电能装置,因其能量转化效率高、污染小、可靠性高等优点,受到研究者广泛的关注。燃料电池阴极氧电还原反应(ORR)和小分子有机物的电氧化反应进行缓慢,急切需要发展高效电催化剂。

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相比于纳米颗粒,纳米线和纳米管状催化剂,由于其各向异性、独特的结构以及表面性质,显示出独特的优势。纳米线和纳米管不易发生Ostwald熟化和团聚,能显著提高电催化稳定性。近期,北京大学郭少军教授课题组总结了近期关于一维Pt基、Pd基和非金属材料提升燃料电池电催化性能。内容包括新的合成方法制备不同种类的一维催化剂;对甲醇电氧化反应、乙醇电氧化反应机理等进行了分析;更多(111)晶面和更高铂利用率(如铂合金纳米线)的铂基纳米线,可以提高燃料电池阴极氧催化还原反应活性和稳定性;优化不同直径、形状和结构的铂基多金属核壳纳米线,可以增强催化剂的活性和稳定性等。论文通过对一维铂基和非铂基纳米晶催化剂相关研究的分析,为燃料电池发展提供了新的思路。相关工作发表在Advanced Materials (10.1002/adma.201601909)上。