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我组光催化辅助燃料电池ORR的研究取得进展
我组光催化辅助燃料电池ORR的研究取得进展
www.canli.dicp.ac.cn    发布时间:2016-10-27 09:06    栏目类别:科研进展
     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)

 

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