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中科院大连化物所光催化辅助燃料电池ORR的研究取得进展

中科院大连化物所催化基础国家重点实验室、洁净能源国家实验室(筹)李灿院士点击查看介绍团队在太阳能光-电转化和燃料电池化学能-电能转化交叉领域取得进展,发现光催化可以显著促进氧还原反应(ORR)的催化活性,并基于此提出聚合物太阳电池和H2-O2燃料电池耦合的叠层电池概念。近日,相关研究成果以通讯形式发表在《德国应用化学》期刊上(第一作者为华南理工大学联合培养博士生张丙青)。


H2-O2燃料电池能将氢气直接高效转化为可广泛应用的电能,同时产生对人类生存环境友好的水分子,是先进可持续清洁能源体系发展的重要方向之一。其中阴极的ORR是H2-O2燃料电池的控速反应(尤其对质子膜燃料电池PMFC),直接关系到整个电池的开路电位和输出功率。贵金属铂是ORR最好的催化剂,但是其高成本严重制约了燃料电池技术的发展和商业化进程。为了解决这个问题,世界范围内大量的研究者致力于开发替代Pt或降低Pt用量的催化剂,如Pt合金、Pt核壳结构催化剂、C基催化剂。但是,截止目前,催化ORR的过电位仍然需要至少0.2 V左右。因此,发展降低O2活化过电位和提高ORR反应活性的新的催化策略和新的思路十分重要。


在本工作中,研究人员将光催化引入ORR,发现采用聚合物半导体光催化剂,光照可显著促进ORR的电催化活性,起始电位由0.66 V正移到1.34 V(远超过商业铂催化剂的1.0 V),且电流在0.6 V时增大了44倍。由此构建的光驱动概念型H2-O2燃料电池中,光照使燃料电池的开路电压从0.64 V增大到1.18 V,短路电流增大1倍。光催化使半反应ORR和全电池反应的电位分别增大了0.68和0.54 V,该电压值与目前研究的大多数聚合物太阳能电池的电压(0.6-0.8 V)相接近。光驱动概念型H2-O2燃料电池可以被认为是聚合物太阳能电池和H2-O2燃料电池叠层耦合的结果。光促进分子氧还原的机理可能是光激发聚合物的电子从价带到导带,导带上激发态的电子具有足够的电势转移填充到氧分子的反键轨道(2π*,2σ*),从而使氧还原反应更加容易。该研究结果为解决燃料电池ORR反应动力学问题开拓了新的思路,显示出潜在的应用价值。


该工作得到了科技部973项目、国家自然科学基金的资助,以及参加教育部2011协同创新中心iChEM的太阳能研究项目。(文、图/张丙青)


该论文作者为:Bingqing Zhang, Shengyang Wang, Wenjun Fan, Weiguang Ma, Zhenxing Liang, Jingying Shi, Shijun Liao, Can Li

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201607118/abstract

Photoassisted Oxygen Reduction Reaction in H2-O2 Fuel Cells

Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201607118


导师介绍

李灿院士:http://www.x-mol.com/university/faculty/22686


X-MOL催化领域学术讨论QQ群(210645329

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