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物电学院博士生陈旭在Nano Energy发表封面论文

设计合成燃料电池低Pt高效催化剂

作者:物电学院   编辑:党宣    来源:物电学院  发布时间:2018/12/25

近日,物电学院王浩教授指导的博士生陈旭以第一作者在Nano Energy(2018, 54,280-287,SCI影响因子13.12)发表题为“Core/shell Cu/FePtCu nanoparticles with face-centered tetragonal texture: An active and stable low-Pt catalyst for enhanced oxygen reduction”的封面论文。德国马普固体研究所Yi Wang博士、芬兰阿尔托香港曾道人Peter Lund教授、王浩教授为共同通讯作者,曾道人内幕玄机香港曾道人为第一单位及通讯作者单位。

燃料电池作为一种新型电化学能源转换器件,具有能量转换效率高、清洁、低排放和燃料可再生的优点。但是,燃料电池的阴极催化反应(氧还原反应)动力学缓慢,需要高载量的贵金属铂(Pt)催化剂而使其成本居高不下,成为燃料电池大规模商业化的挑战,欧美等发达国家和我国都把燃料电池低Pt或非Pt催化剂的研发列为国家重大科技计划进行攻关。低Pt催化剂的策略,包括Pt基合金和核壳结构等,可以有效提升催化剂的活性、稳定性并降低Pt用量。其中,面心四方结构(face-centered tetragonal, fct)的硬磁FePt合金表现出比面心立方结构软磁FePt或纯Pt更优异的催化活性及稳定性。然而,fct-FePt合金及其核壳纳米颗粒的合成往往存在化学反应复杂、高温退火等严苛步骤多、颗粒易团聚等问题,同时关于Pt基合金催化剂催化机理的研究也不充分。

(a)核壳结构fct-FePtCu纳米颗粒的电子能量损失谱(EELS)扫描图,红色为铁,绿色为铜,蓝色为铂。(b)核壳结构fct-FePtCu纳米颗粒表面的原子分辨率EELS扫描图。

有鉴于此,团队采用一锅多元醇解法低温(320oC)一步合成了fct-FePtCu核壳纳米颗粒,该方法具有制备方法简单、结构易于调控的优点。通过调制Fe/Cu成分,有效调控了Cu在FePtCu纳米颗粒中的分布,得到了新颖的核壳结构FePtCu纳米颗粒(壳层为fct-FePtCu)。通过原子空间分辨率球差校正扫描透射电子显微镜研究了纳米颗粒的形貌和结构演化,为揭示其催化性能的提升提供了有力的证据。FePtCu核壳纳米颗粒具有比商业Pt/C高4倍的质量活性,在1000次循环测试后半波电势只衰减3.0%,而商业Pt/C在同样条件下衰减34.2%。原子分辨率元素分析证明,催化性能的提升来自表面Pt原子的富集和具有fct结构的FePtCu壳层。据了解,这是关于硬磁fct-FePtCu核壳纳米颗粒氧还原反应催化剂的首次报道,相关具有应用价值的成果已获国家发明专利授权。

近年来,学校不断创新高水平研究生国际联合培养模式,积极探索开展“中外双博士学位”国际合作培养计划。论文第一作者陈旭是首批入选曾道人内幕玄机香港曾道人与法国诺曼底卡昂香港曾道人“双博士学位”联合培养计划的博士生,目前已先后在法国国家科学研究院离子材料与光电子研究中心暨诺曼底卡昂香港曾道人、德国马普固体研究所联合培养一年,顺利通过答辩后将同时获得中法两校博士学位。

据悉,这是该课题组以曾道人内幕玄机香港曾道人为第一单位在Nano Energy发表的第3篇论文,为学校纳米科学与技术学科成功入选2018年软科世界一流学科作出了贡献。


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