朱静电池 材料学院朱静教授课题组在直接甲醇燃料电池催化剂方面
2016年2月8日清华大学材料学院朱静教授课题组在国际著名能源期刊Nano Energy(Nano Energy 2016, 21: 265–275,影响因子:10.33)在线发表文章Electrocatalysis enhancement of iron-based catalysts induced by synergy of methanol and oxygen-containing groups。
研究表明甲醇分子和催化剂中含氧官能团可以协同增强氧气还原反应的催化性能,对新型直接甲醇燃料电池阴极催化剂的设计提出新的思路。该研究为非贵金属氧气还原反应催化剂一系列工作(Small 2014, 10 (20): 4072-4079;Nanotechnology 2015, 26: 165401;RSC Advances 2015, 5: 50324 – 50327)的新进展。
该研究主要面向直接甲醇燃料电池,该类电池有很高的能量转化效率,并且,甲醇燃料为液体、相比氢气燃料更容易储存运输。但由于电池阳极的甲醇会渗透到阴极并毒化铂催化剂,严重限制其广泛应用。在非贵金属催化剂研究的基础上,该研究用含有铁氮元素的纳米碳纤维替代昂贵的铂作为阴极催化剂,发现在催化剂表面活性位点附近的含氧官能团可以将从阳极渗透来的甲醇分子变废为宝,与之产生协同作用、提升氧气还原反应的催化性能。
该协同作用的机理被第一性原理计算和实验验证。
该研究进一步优化催化剂设计和甲醇浓度,使单电极测试的性能提升量达21.6%,并将该类催化剂和协同作用应用于甲醇燃料电池系统中,使其性能提升3%。这种提升机理被证实是可延续的、可重复的和可重复操作的。
该成果提出了利用有机分子提升氧气还原反应性能的新思路,有望进一步指导设计新型廉价抗甲醇阴极催化剂、为直接甲醇燃料电池的广泛应用做出一定的贡献。
该工作是朱静教授课题组与北京科学计算研究中心、北京航天航空大学和南京大学等单位合作开展。论文的第一作者为材料学院博士生闫星旭、北京科学计算研究中心博士后唐振坤和北京航空航天大学博士生徐鑫,通讯作者为朱静教授、罗俊教授、刘利民教授(北京科学计算研究中心)和卢善富副教授(北京航空航天大学)。
该项目得到国家973项目、国家自然科学基金和国家青年千人计划等项目的资助。
