新型催化剂有效提升燃料电池性能

记者10月29日从昆明理工大学获悉，该校化学工程学院与香港科技大学合作，通过制备非贵金属单原子催化剂，有效提升了燃料电池的氧还原反应活性，在燃料电池催化剂领域取得重要突破。相关成果发表于国际期刊《德国应用化学》。

燃料电池作为一种清洁能源技术，其规模化应用面临的一大挑战是铂等贵金属催化剂的成本高昂，同时活性和耐久性也存在不足。铁-氮-碳材料是最有可能取代铂、应用于燃料电池的非贵金属催化剂。沸石咪唑型金属有机框架是合成高性能铁-氮-碳材料最有效的前驱体之一。然而，传统沸石咪唑型金属有机框架衍生制备的铁-氮-碳催化剂为微孔材料，不利于传质。此外，其活性位点为平面铁-氮结构，活性仍有待提升。

为此，昆明理工大学博士冯东、副教授李金成、教授梅毅与香港科技大学教授邵敏华组成的研究团队，创新性地提出了一种氧化锌辅助策略。他们利用棒状氧化锌水解产生的锌离子与2-甲基咪唑反应，成功制备了氯化血红素修饰的沸石咪唑型金属有机框架薄膜。通过进一步热解，他们得到了中空管状铁-氮-碳材料。这种材料的管壁布满有层次的介孔和微孔，铁-氮活性位点可被巧妙地锚定在这些纳米孔内部，形成了弯曲应力，从而显著提高了催化活性。

实验结果显示，铁-氮-碳材料在氧还原反应中表现出色，在碱性条件下半波电位高达0.925伏，在酸性介质中也能达到0.825伏。当这种材料作为阴极催化剂应用于质子交换膜燃料电池和锌空气电池时，电池功率密度同样表现出极高的水平。例如，氢空气条件下，其功率达每平方厘米715毫瓦，远高于传统铁-氮-碳材料每平方厘米175毫瓦的水平。

此外，研究团队还通过原位变温高能X射线衍射和相关理论计算，深入揭示了催化剂的合成机制及其电催化氧还原反应的机理，为能源器件中高性能催化剂的设计、制备及其催化机制的研究提供了新的思路。