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西工大材料学院开发出用于燃料电池双活性去合金化枝晶的一步法制备技术

作者:陈福义  来源:材料学院  发布时间:2017年04月13日 14:44  

西工大新闻网4月13日电陈福义)4月10日,功能材料领域权威期刊Advanced Functional Materials (IF=11.382)刊发了西北工业大学关于应用在燃料电池的新型金属双活性催化材料的最新研究成果。论文题目为:“One-pot Synthesis of Dealloyed AuNi Nanodendrite as a Bifunctional Electrocatalyst for Oxygen Reduction and Borohydride Oxidation Reaction”,DOI: 10.1002/adfm.201700260,由材料学院陈福义教授指导的博士生王佳丽为第一作者,陈福义教授为通讯作者,靳亚超、雷毅敏等为合作者。

图1 首创一步法制备去合金AuNi双金属枝晶的示意图

图2 采用一步法合成的AuNi双金属枝晶的结构表征及其对氧还原反应和硼氢化钠氧化反应的优异催化性能

铂(Pt)基金属是目前燃料电池中催化阴极和阳极反应最好的双功能催化材料。但由于其催化效率仍然很低,再加上Pt金属储量低、成本高等特点严重地制约了燃料电池的发展和应用,因此急需寻求一种可替代Pt金属的新型电催化材料。众所周知,块状Au金属具有化学催化惰性,但是纳米尺度的Au及Au基合金却在碱性介质中表现出非常有前途的催化性质。基于此,本项研究工作首次开创了一种灵活可控的一步电化学方法,成功合成了去合金化的AuNi多层次纳米枝晶,与“先合金化后去合金”的传统路线相比,大大缩减了操作程序,消除了在传统方法中由于更换电解质溶液而对催化性能引起的消极影响。相比于商业化的Pt/C,一步法去合金化AuNi纳米枝晶表现出更加突出的氧还原和硼氢化钠氧化双功能催化性能。更重要的是,该一步法制备的去合金化AuNi纳米枝晶比采用传统多步法去合金制备的AuNi的催化性能更加优异,展现出其在燃料电池领域极大的应用价值。另外,该研究工作通过系统的实验进一步验证了该一步法的合理性和通用性,从而为发展下一代新型电催化材料提供了一种全新的思路。该工作得到了国家自然科学基金、凝固技术国家重点实验室自选课题等的资助,2017年以来研制出一系列新型金属催化材料(1,吴小强等,Small, 2017,1603387:Activity Trends of Binary Silver Alloy Nanocatalysts for Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Media; 2,张楠等,Journal of Materials Chemistry A, 2017,5, 7043:Activity origin of core–shell and alloy AgCu bimetallic nanoparticles for oxygen reduction reaction;3,吴小强等,Small, 2017, 1603876:Engineering Bimetallic Ag-Cu Nanoalloys for Highly Efficient Oxygen Reduction Catalysts: A Guideline for Designing Ag-based Electrocatalysts with activity comparable to Pt/C-20%)。

背景资料:

陈福义教授课题组致力于纳米合金的设计、化学物理等离子体合成及其性能调控的基础理论和应用研究,主要研究方向为银基合金的材料基因组技术、金属材料-气体相互作用和金属材料-电磁波相互作用等方面,在燃料电池用金属催化功能合金、太阳能电池用表面等离子体合金和纳米合金遗传算法成分设计方面的形成了学术特色,具有贵金属合金材料研发能力、自主知识产权、软硬件核心技术和工艺装备。

(审稿:付前刚 陈仲昌)

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