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部长介绍
李灿 院士
现任中国科学院大连化学物理研究所研究员、洁净能源国家实验
室主任,2003年当选中国科学院院士。中国科学院大连化学物理研究所和日本东京工业大学联合培养理学博士。曾先后在比利时新鲁汶大学、美国西北大学、英国利物浦大学……
学术动态
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我组光催化辅助燃料电池ORR的研究取得进展


发布人:管理员    发布时间:2017-01-12     返回首页

  近日,我组催化基础国家重点实验室及洁净能源国家实验室(筹)太阳能部在太阳能光-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(Bingqing Zhang, Can Li, et al., Angewandt Chemie International Edition, 2016, DOI:10.1002/anie.201607118。(第一作者为华南理工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ORRH2-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,但是及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0.680.54 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(2p*2s*),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)