我所利用穆斯堡爾譜揭示燃料電池非貴金屬催化劑性能衰退機制

  近日,我所醇類燃料電池及復合電能源研究中心(DNL0305組)孫公權研究員和王素力研究員團隊與能源研究技術平臺穆斯堡爾譜研究組(DNL2005組)王軍虎研究員團隊合作,在燃料電池非貴金屬催化劑性能衰退機制研究方面取得新進展。合作團隊結合電化學、穆斯堡爾譜和理論模擬等方法,揭示了在真實電化學環境中,活性位點結構及其演變對催化劑穩定性的影響機制。

  發展高效的非貴金屬催化劑有助于降低燃料電池成本,推動其商業化應用。目前非貴金屬催化劑在質子交換膜燃料電池(直接/高溫甲醇燃料電池、氫/空燃料電池)中普遍存在穩定性差的問題,但對于其性能衰退機制仍缺乏分子尺度的深入機理闡釋。

  本工作中,合作團隊在前期高活性鐵(Fe)基非貴金屬催化劑研究的基礎上(Appl. Catal. B-Environ.,2019;J. Mater. Chem. A,2020;ACS Appl. Mater. Interfaces,2021),利用非原位/原位穆斯堡爾譜技術和密度泛函理論計算,研究了Fe原子配位環境差異對活性和穩定性的影響,分析了活性位點在真實電化學環境中的微觀結構演變過程,并結合第一性原理分子動力學模擬,揭示了反應條件、結構演變、穩定性之間的內在關聯。研究結果表明,高活性的FeN4C8配位結構易發生脫金屬,導致其性能衰減,而氧還原反應中間體的吸附和雙電層電場的誘導對此有顯著加劇作用。

  相關研究成果以“Investigation on the Demetallation of Fe-N-C for Oxygen Reduction Reaction: The Influence of Structure and Structural Evolution of Active Site”為題,發表在《應用催化B:環境》(Applied Catalysis B: Environmental)上。該工作的共同第一作者是我所DNL0305組許新龍博士和張曉明副研究員。上述工作得到國家自然科學基金青年基金、博士后基金面上資助等項目的支持。(文/圖 許新龍)

  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121290

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