北京大学新闻中心主办
 
高级搜索  

工学院郭少军课题组在Nature子刊上应邀发表综述论文
日期: 2017-10-04  信息来源: 工学院

迫于能源危机和环境污染等问题,人类文明的可持续发展迫切需要开发可再生的清洁能源。燃料电池是转换清洁能源的最理想装置,然而其广泛使用却受制于高昂的铂催化剂催化阴极氧气还原反应(Oxygen reduction reaction, ORR)。研究表明,调控铂基合金的微观结构可有效提高其催化效率。近日,北京大学工学院郭少军课题组在前期工作基础上(Science 2016, 354, 6318; Nat. Commun. 2016, 7, 11850; Adv. Mater. 2017, online; Angew Chem. 2017, online; Adv. Mater. 2016, 28, 10117; Sci. Adv. 2017, 3, e1601705; Adv. Energy Mater. 2017, 7, 2073; Adv. Mater. 2015, 27, 7204; Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3465; J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13879 ),受Nature Reviews Materials邀请撰写了关于“晶格应力调控多金属材料电催化性能”的综述文章,并发表在Nature Reviews Materials(2017, 2: 17059)。

经典电催化理论表明,优异的ORR催化剂须具备比较适中的氧结合能,而控制催化剂表面的应力则是调控其氧结合能的有效方式之一。如图1所示,当金属表面被压缩或拉伸时,其d带中心位置会有相应的改变,从而影响其对氧气或含氧中间体的吸附键能。目前,可通过多种实验手段实现金属表面的应力调控:(1)制备核壳结构型金属催化剂。该结构存在的金属界面将对晶格常数较大的金属产生压缩应力,而对晶格常数较小的金属产生拉伸应力;(2)制备孪晶金属催化剂。相比于单晶结构,孪晶具有独特的晶界以缓解过高的比表面能,也将同时改变其表面的应力分布;(3)通过引入外力。如采用电极材料在嵌入/脱出时产生的膨胀/压缩现象,对其表面的金属催化剂引入应力。

 
图1 晶格应力效应对过渡金属氧结合能的影响机制
 
 
图2 孪晶晶界对表面应力分布及催化活性的影响

本综述首先简介了晶格应力的概念,列举了目前调控和量化多金属纳米晶中应力的手段,讨论了应力对氧还原反应中间体吸附强度的影响规律,介绍了典型的通过纳米技术调控应力的方案实现催化性能的提升,最后对该领域未来的发展方向做了展望。应力效应是目前已知有效且可控的催化性能调控手段之一。相比于协同效应和电子效应,应力效应的作用范围更广,从而能长期存在于电催化剂复杂的运行环境中,具有很高的实际应用价值。该综述为新型高效ORR电催化剂的结构设计提供了理论基础和实验参考,从而推进燃料电池的商业化进程。

该论文的第一作者是郭少军课题组博士后骆明川,郭少军为通讯作者。该工作得到国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发计划和千人计划青年项目等项目的支持。

郭少军课题组链接:http://www2.coe.pku.edu.cn/faculty/guoshaojun/

编辑:白杨


   
北京大学官方微博     北京大学新闻网     
[打印页面]  [关闭页面]
 
转载本网文章请注明出处
 

 
本网介绍 | 设为首页 | 加入收藏 | 校内电话 | 诚聘英才 | 新闻投稿
投稿地址 E-mail:xinwenzx@pku.edu.cn 新闻热线:010-62756381