用于燃料电池阴极氧还原反应的单原子铜催化剂

　　燃料电池作为一种可以直接将化学能转换为电能的装置，以其清洁和高效受到广泛关注，是我国“十三五”规划中的重点关注产业。但在燃料电池阴极中，由于氧还原反应（ORR）动力学相对较慢，严重依赖贵金属铂（Pt）催化剂，成为制约燃料电池大规模应用的一个重要因素。因此，发展ORR低铂/非铂催化剂对推进燃料电池大规模应用具有重要意义。过渡金属单原子催化剂（SAC）展现出了优异的ORR性能，近年来引起了极大的关注。在以往的研究报道中，过渡金属多为Fe、Co、Ni等。金属Cu是从多种生命形式中ORR的中心原子，然而，仅有少数基于Cu SAC的ORR催化剂的研究报道。此外，很少有关于Cu SAC在燃料电池中的应用报道。北京航空航天大学相艳课题组成功制备了用于燃料电池阴极氧还原反应的单原子铜催化剂，该研究成果“A copper single-atom catalyst towards efficient and durable oxygen reduction for fuel cells”于2019年4月以封面论文的形式发表在Journal of Materials Chemistry A上。 

　　该课题组以酞菁铜为前驱体，采用简单热解法制备了单原子铜催化剂。球差电镜（HAADF-STEM）照片证明了单原子Cu的均匀分散。同时，利用北京同步辐射装置1W1B-XAFS实验站获取的X射线吸收谱（XANES、EXAFS）证实了Cu SAC的成功制备并进一步对其结构进行剖析。电化学测试结果表明，该催化剂在碱性介质中表现出良好的ORR性能，其半波电位为0.81 V (vs. RHE)，与商业化Pt/C相差30 mV。同时显示出优异的耐久性，在碱性介质中5000次循环后，半波电位仅有9 mV的负移。基于该催化剂的阴离子交换膜燃料电池在70℃下的峰值功率密度可达196 mW cm^-2。密度泛函理论计算表明从HOO*到O*的过程是影响其ORR性能的关键步骤。Cu SAC有望成为一种用于燃料电池的非贵金属ORR催化剂。 

　　图1 (a) 球差矫正电镜表征的Cu SAC的形貌。(b) Cu SAC及Cu foil的EXAFS表征。(c) Cu SAC吸附氧的理论计算模型。(d)Cu SAC的耐久性测试。(e) 以Cu SAC作为阴极催化剂的阴离子交换膜燃料电池的极化曲线。(f) 密度泛函计算得到的Cu SAC及Pt(111)的ORR反应路径。 

　　发表文章： 

　　Cui, L. T.; Cui, L. R.; Li, Z. J.; Zhang, J.; Wang, H. N.; Lu, S. F.; Xiang, Y., A copper single-atom catalyst towards efficient and durable oxygen reduction for fuel cells. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 16690-16695.