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我校化工学院青年教师马峰在《Fundamental Research》发表研究成果

发布者:陈孖川发布时间:2022-04-18浏览次数:419

  大发welcome登录入口网讯  近日,我校化工学院青年教师马峰在质子交换膜燃料电池研究领域取得新进展,论文“Atomically dispersed Zn-Co-N-C catalyst boosting efficient and robust oxygen reduction catalysis in acid via stabilizing Co-N bonds”发表在自然科学综合期刊《Fundamental Research》上。《Fundamental Research》期刊是由国家自然科学基金委主管、主办的高水平综合性英文期刊,内容覆盖自然科学的多个学科领域。

  论文第一作者为我校化工学院青年教师马峰博士通讯作者为华中科技大学李箐教授美国纽约州立大学布法罗分校Gang Wu教授和华中科技大学黄云辉教授作为共同作者参与了本研究。我校为论文第二完成单位

  质子交换膜燃料电池包含氧还原反应(ORR)和氢气氧化这两个半反应,其中ORR动力学较缓慢。目前商用的质子交换膜燃料电池常采用Pt基催化剂催化ORR过程,但由于Pt族元素高昂成本而难以大规模应用。过渡金属负载的氮掺杂碳材料(M-N-C)由于成本低廉以及较高初始活性而被认为最有可能替代Pt族催化剂。然而在实际工况条件下(高温、强酸性)由于金属溶出、H2O2副产物等因素影响,M-N-C催化剂的长期工作稳定性仍存在较大问题,限制了其进一步应用。

  为了在改善现有M-N-C催化剂材料初始ORR活性的同时提升其结构稳定性,本研究制备了Zn/Co双组分原子级分散催化剂。通过对Co-N键键能的调控,优化得到了具有开放Zn/Co双位点局域结构(open-CoZn-N6/C)的Zn-Co-N-C催化剂。DFT计算表明,open-CoZn-N6/C局域构型与Co-N4/C以及其他催化位点相比,具有更负的形成能(-4.74 eV)和更多的金属原子与N原子之间的电子转移,与此同时ORR反应路径中的速控步骤的能垒也得到降低(相对于Co-N4/C降低了1.2 eV)。基于以上原因,open-CoZn-N6/C双位点的金属溶出和碳氧化能够得到抑制。ORR性能测试验证了该理论预测,性能最优的Zn-Co-(3:1)-N-C-800催化剂在酸性介质中不仅具有较高的半波电位(E1/2= 0.81 V vs. RHE),而且在高温强酸环境下体现出超强稳定性。在经历了15000次加速老化试验(ADT)以后无任何活性衰减。如此优异的电化学性能得益于Zn/Co双金属位点(1)增强了金属-氮原子之间的电荷转移,使得Co-N键被强化,(2)优化了d带重心,改善了ORR动力学。

  马峰博士2020年入职我校化学与化工学院,目前以第一作者在《Fundamental Research》、《Joule》、《ACS Nano》、《Science Bulletin》等顶级期刊发表论文十余篇。入职以来,主持1项国家自然科学基金(22109121)和1项煤转化与新型炭材料湖北省重点实验室开放基金重点项目(WKDM202204),并以骨干成员身份参与1项国家自然科学基金区域创新发展联合基金(U21A20317)和2项企业委托项目。2021年入选湖北省楚天学者计划(“楚天学子”)。(化工学院)

 


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