燃料电池非贵金属氧还原催化剂重要进展

        孙世刚教授课题组在质子交换膜燃料电池非贵金属氧还原电催化剂及其活性位探测研究方面取得重要进展，相关结果以“Phenylenediamine-Based FeN_x/C Catalyst with High Activity for Oxygen Reduction in Acid Medium and Its Active-Site Probing”为题，发表在 J. Am. Chem. Soc.（2014，DOI：10.1021/ja505777v）

        质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种能量转换效率高、环境友好的清洁电源，在电动车等方面具有重要的应用前景。目前PEMFC的商业化受制于高成本铂催化剂，尤其是阴极氧还原反应(ORR)催化剂。开发非贵金属氧还原催化剂是降低燃料电池成本，破解对铂等贵金属依赖难题的有效途径。在各种非贵金属ORR催化剂中，FeN_x/C最有希望替代铂催化剂用于酸性燃料电池。但是，目前FeN_x/C催化剂存在两大问题：催化活性不高且活性位不明确。

        孙世刚教授课题组发展的方法包含以高含氮量的间苯二胺作为前驱体，结合炭黑表面修饰，再通过高温热处理制备出在酸性介质中具有很高ORR活性的FeN_x/C催化剂(PmPDA-FeN_x/C)：在0.80V (RHE)下，质量电流密度可达11.5 A g^-1，且H₂O₂产率低于< 1%。通过与南京大学刘建国教授课题组合作，进一步测量了该催化剂在燃料电池中的性能，最大功率密度可达350 mw cm^-2。通过系统研究多种无机分子和离子对PmPDA-FeN_x/C还原氧气催化性能的影响，发现PmPDA-FeN_x/C的ORR性能不受CO和NO_x影响，但卤素离子(如，Cl^-，F^-和Br^-)和低价态含硫物种(如SCN^-，SO₂和H₂S)却能显著降低催化性能。研究结果揭示了酸性介质中FeN_x/C催化剂活性位的本质，即以Fe^III形式存在铁元素主导ORR的催化过程。

         该项研究是在孙世刚教授和周志有教授共同指导下完成的。催化剂制备和表征主要由博士生汪强完成，活性位探测主要由硕士生赖愉姣完成。此外，先后有两个育苗基金资助的本科生（宋林和吴夏泠）也参与了该研究工作。

        研究工作得到国家重点基础研究发展计划（2012CB215500），国家自然科学基金（21373175, 21361140374和21321062）、中央高校基本科研业务费（2012121019）和国家基础科学人才培养基金（J1310024）支持。

        论文链接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja505777v