研究揭示铁氮碳电催化剂酸碱差异性降解行为与机理

中国科学院
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燃料电池作为高效、清洁的电化学能源转换技术,可将燃料的化学能直接转化为电能,具有能量转化效率高、环境污染小等优点。但是,燃料电池商业化应用受到阴极氧还原反应动力学的制约。目前,铂基催化剂成本高昂、资源稀缺,因此开发低成本、高性能的非贵金属替代材料成为热点。近年来,铁-氮-碳(FeNC)单原子催化剂具备高活性和原子级分散等特性,展现出替代铂基催化剂的潜力。而该类催化剂在实际应用环境中稳定性不足,特别是在不同pH条件下表现出性能差异,其背后的机理尚不明确,制约其实际应用。Rp6速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员苏东团队,联合西安交通大学教授苏亚琼、北京航空航天大学教授水江澜等,将多种先进原位表征技术与理论计算结合,在原子尺度上揭示了FeNC催化剂在酸性和碱性环境中的差异化降解机制。研究设计了交叉环境测试方法,发现催化剂在酸性环境中降解后,在碱性条件下仍能保持优异活性,反之亦然,这表明不同pH环境中的失活路径存在本质差异。Rp6速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

研究团队综合运用准原位电镜、电子能量损失谱和穆斯堡尔谱等分析手段,明确了降解机制的关键差异:酸性条件下以铁活性位点的溶出为主;碱性条件下以碳载体腐蚀为主导,导致材料长程有序性下降。进一步,理论计算从机理上阐明,酸性环境中铁中心为主要活性位点,碱性环境中羟基吸附使铁位点钝化,且邻近碳原子成为活性主导。基于上述认识,团队通过前驱体工艺调控,验证了“铁中心主导酸性稳定性、碳基底决定碱性耐久性”设计策略,为针对不同燃料电池环境开发高性能FeNC催化剂提供了新思路。Rp6速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

上述研究深化了科研人员对非贵金属催化剂失效机制的理解,为设计高稳定性ORR催化剂奠定了科学基础。Rp6速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

相关研究成果发表在《美国化学会志》(JACS)上。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项等的支持。Rp6速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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