新型催化剂实现燃料电池3万次循环高功率放电

中国科学技术大学教授吴长征实验课题组与教授吴恒安理论计算课题组合作，合成了超小尺寸的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，在3万次循环耐久性测试后，仍然能维持81.5%的放电功率，实现燃料电池的高功率放电和长久循环稳定性。相关成果日前发表于美国《国家科学院院刊》。

相对于其他种类电池，质子交换膜燃料电池具有放电功率大、无污染等优势，其中阴极氧还原反应是电池全反应的速控步骤。铂基金属间化合物，因其长程有序结构在稳定性上有着天然优势，是下一代燃料电池商用氧还原催化剂体系。当前，铂基金属间化合物依然存在颗粒尺寸较大等问题，导致铂利用率和质量活性降低，成为制约燃料电池性能提升的“瓶颈”之一。

针对这一挑战，吴长征团队合成了系列具有2纳米左右超小尺寸的铂基金属间化合物颗粒。由超小尺寸铂钴金属间化合物颗粒组装的质子交换膜燃料电池，比基于商业铂碳催化剂的燃料电池功率密度高出530毫瓦/平方厘米。在耐久性测试中，超小尺寸的铂钴颗粒在3万次循环后质量活性依然可以达到0.75安培/毫克。同时，位于介孔碳内部的铂基金属间化合物颗粒有利于燃料电池工况下三相界面优化。理论计算表明，介孔内部可高效完成质子和氧气的传输并实现动态平衡，大大降低电池传质阻力，同时防止离聚物对电池催化剂的毒化作用。

基于超小尺寸铂基金属间化合物，该项研究从纳米到介观尺度系统优化了催化剂在燃料电池膜电极中的结构设计并实现高性能表达，为燃料电池阴极催化材料研发提供了新思路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2104026118