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光催化輔助燃料電池ORR研究取得新進展
2016-10-28  來源:中國聚合物網
  近日,中科院大連化物所催化基礎國家重點實驗室、潔凈能源國家實驗室(籌)李燦院士研究團隊在太陽能光-電轉化和燃料電池化學能-電能轉化交叉領域取得新進展,發現光催化可以顯著促進氧還原反應(ORR)的催化活性,并基于此提出了聚合物太陽能電池和H2-O2燃料電池耦合的疊層電池概念,相關研究成果以通訊形式發表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上(DOI:10.1002/anie.201607118)(文章第一作者為華南理工大學聯合培養博士生張丙青)。     

  H2-O2燃料電池能將氫氣直接高效轉化為可廣泛應用的電能,同時產生對人類生存環境友好的水分子,是先進可持續清潔能源體系發展的重要方向之一。其中,陰極的ORR是H2-O2燃料電池的控速反應(尤其對質子膜燃料電池PMFC),直接關系到整個電池的開路電位和輸出功率。貴金屬鉑是ORR最好的催化劑,但是較高的成本嚴重制約了燃料電池技術的發展和商業化進程。為了解決這個問題,世界范圍內大量的研究者致力于開發替代Pt或降低Pt用量的催化劑,如Pt合金、Pt核殼結構催化劑、C基催化劑等;但是,截至目前,催化ORR的過電位仍然需要至少0.2V左右。因此,發展降低O2活化過電位和提高ORR反應活性的新催化策略和新思路十分重要。

  在本工作中,研究人員將光催化引入ORR,發現采用聚合物半導體光催化劑、光照可顯著促進ORR的電催化活性,起始電位由0.66V正移到1.34V(遠遠超過商業鉑催化劑的1.0V),且電流在0.6V時增大了44倍。由此構建的光驅動概念型H2-O2燃料電池中,光照使燃料電池的開路電壓從0.64V增大到1.18V,短路電流增大1倍。光催化使半反應ORR和全電池反應的電位分別增大0.68V和0.54V,且該電壓值與目前研究的大多數聚合物太陽能電池的電壓(0.6-0.8V)相接近。光驅動概念型H2-O2燃料電池可被認為是聚合物太陽能電池和H2-O2燃料電池疊層耦合的結果。光促進分子氧還原的機理可能是光激發聚合物的電子從價帶到導帶,導帶上激發態的電子具有足夠的電勢轉移填充到氧分子的反鍵軌道(2p*,2s*),從而使氧還原反應更加容易。該研究結果為解決燃料電池ORR反應動力學問題開拓了新的思路,顯示出潛在的應用價值。

  該工作得到了科技部973項目、國家自然科學基金,以及教育部2011協同創新中心(iChEM)太陽能研究項目的支持。(文/圖 張丙青)

  原文鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201607118/full
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(責任編輯:xu)
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