又一篇Science!来自华中科大高被引科学家团队

  • Colin
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来源 | 华中科技大学(ID:ihuster)

编辑 | 学术君


11月15日,国际顶级学术期刊《科学》以研究长文形式在线发表华中科技大学化学与化工学院夏宝玉团队的最新研究成果“Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells”。

该文阐述了团队在高效长寿命铂合金催化剂的最新研究进展:采用(电)化学腐蚀方法对铂基催化剂的近表面结构和组分进行调控,从而大幅提升高效铂镍合金催化剂在实际燃料电池器件中的服役水平和寿命,有望成为发展燃料电池行之有效的关键手段。

图为《科学》在线发表夏宝玉团队成果。

华中科技大学化学与化工学院田新龙博士为第一作者,日本电气通信大学赵晓博士和荷兰埃因霍温理工大学苏亚琼博士为论文共同第一作者。华中科技大学为第一作者单位,夏宝玉和新加坡南洋理工大学楼雄文教授为论文的共同通讯作者。据悉,这也是华中科技大学化学与化工学院教师首次在《科学》上发表论文。

为破解难题,团队这么干

当前,经济社会的高速发展使得开发新能源转换技术势在必行。氧还原反应是包括燃料电池和金属-空气电池等新能源技术的核心反应,需要价格昂贵、资源稀缺的贵金属铂作为催化剂克服较为迟缓的氧还原反应动力学。

因此,研发低成本、高活性和长寿命的阴极氧还原催化剂是发展燃料电池等能源技术的关键。近年来,高活性铂基催化剂的设计已经取得突破,但催化剂仍然面临着在实际燃料电池器件中的服役水平与寿命的重大挑战。

针对上述难题,夏宝玉团队采用(电)化学腐蚀的方法对铂基催化剂的近表面结构和组分进行调控,获得了具有一维结构的串状铂镍纳米笼结构,实现了高稳定性的一维结构和高活性的合金空心结构等特征的有效结合,从而大幅提升了高效铂镍合金催化剂在全电池中服役水平和寿命。

图为铂镍合金结构、形貌和制备示意图

该催化剂的质量活性和比活性达到3.52 A mgPt-1和5.16 mA cmPt-2,是目前商用催化剂的17倍和14倍。更加令人振奋的是,该催化剂展示出极为优异的催化稳定性。经连续5万圈循环测试后,其质量活性只衰减了1.3%。此外,以该催化剂组装的燃料电池也展示出优异的性能和稳定性。原位X射线同步辐射吸收光谱和理论计算表明,这种催化剂结构有利于在优化氧还原过程中的铂氧物种吸附强度,在改善氧还原催化性能的同时,亦能保持催化剂的较高活性和结构稳定性。

图为铂镍合金催化性质和氢-氧燃料电池性能示意图

这项工作为合理设计低成本、高活性和长寿命铂合金催化材料提供了一种有效的策略,将有助于提升铂合金催化材料在新能源器件中的服役水平和寿命,对发展新能源技术具有重要科学意义和应用价值。该研究得到了千人计划、国家自然科学基金委、华中科技大学和化学与化工学院等各方面的支持。

成果背后

夏宝玉于2016年加入华中科技大学化学与化工学院,将其从事的新能源材料化学研究与学院传统优势学科方向腐蚀电化学相结合,研究集中在结构功能一体化新材料制备及其在能量转换与存储等领域,将基础研究与工程应用相结合,开展了系列富有成效的研究。

团队重点探究新材料在新能源技术中的服役和失效问题,通过探究腐蚀现象和规律,利用腐蚀科学与技术去开发新型、稳定的材料与器件,达到使电池长寿命服役的目的,实现了传统腐蚀学科与新能源领域的深度交叉融合。

团队以高活性长寿命低成本电极材料为导向,在新材料设计与制备方面取得了突破性进展,明确了相关电极材料构效关系和性质改善机理,提出了电极材料在能量转换和存储器件中服役与失效机制,有望对燃料电池行业的发展起到重要推动作用。

该团队近年来在Science, Nat. Energy, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊发表学术论文70余篇(包括1篇ESI热点论文和21篇ESI高被引论文),研究成果被国内外同行引用8000余次,参与3本专著编写(三章),申请专利6项(已授权3项)。夏宝玉入选2018和2019年度科睿唯安全球高被引科学家和2019年Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators。

图为夏宝玉(右二)与同学们在实验室

华中科技大学化学与化工学院近年来不断加大高层次人才引进和培养力度,学院领导班子亲赴各地引智引才,为学院、学科的长期发展建设谋篇布局、积能蓄力。学院准确把握学科布局与发展定位、学术队伍规模和层次结构,围绕能量转换与存储材料化学教育部重点实验室、生物无机化学与药物湖北省重点实验室、材料化学与服役失效湖北省重点实验室及学院重点研究方向引进了一大批青年才俊,着力提升学院的综合竞争力。


本文来源:华中科技大学(ID:ihuster)

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