中科大吴长征教授综述： 质子交换膜燃料电池催化剂中活性位点的局域结构调控

在多种绿色能源存储系统中，质子交换膜燃料电池在电动汽车和应急储备电源领域表现出巨大的应用潜力。然而由于电池阴极氧还原反应的动力学过程比较缓慢，大量贵金属铂的使用增加了燃料电池成本，限制了其发展。并且由于反应过程中催化剂、气体和液体的三相界面存在，催化反应的活性和稳定性均受到了极大的限制。中国科学技术大学吴长征教授团队在Science China Chemistry上发表综述性文章，详细介绍了质子交换膜燃料电池催化剂中活性位点的局域结构调控，并展望了未来质子交换膜燃料电池的发展趋势。作者从微观角度综述了电催化剂中活性位点局域结构与性能之间的构效关系，并分别从贵金属催化剂和非贵金属两个方面总结了相关局域结构调控工程最新手段(见下图)。详细总结了电催化剂局域结构对三相界面处表界面特点的影响，解释了位点结构与反应吸附能、表面亲疏水性和传质之间的关系，强调了催化剂和膜电极之间的关系。最后基于局域结构调控工程的最新进展，展望了质子交换膜燃料电池未来的发展方向。强调在提升催化剂本征活性和稳定性的同时，需要兼顾电池内部传质和质子电子耦合的影响。对于电池的测试技术，需要走向工作状态下原位条件的表征以及全电池的测试。该成果以“Local structure engineering for active sites in fuel cell electrocatalysts”为题，详见Han Cheng, Renjie Gui, Si Liu, Yi Xie, Changzheng Wu. Sci. China Chem., 2020, doi.org/10.1007/s11426-020-9828-5）。

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作者简介

吴长征，中国科学技术大学教授，国家杰出青年科学基金获得者，“长江学者奖励计划”青年学者，《中国科学：化学》编委。长期从事纳米固体化学相关研究，已发表160余篇论文，被他引14000余次(H因子66)，多次入选高被引学者。聚焦无机表界面合成化学，通过改变本征物性发现新电子态和自旋行为新物质、新材料；通过表界面化学设计与构筑电输运通道，发展氧电化学催化剂并基于此构建金属空气和氢氧燃料电池堆应用。近年来，他基于表界面合成化学理念致力于发展新的化学合成工艺，申请和授权发明专利20余项，其中已实现多项知识产权转化。

程晗，现为中国科学技术大学博士后，2020年博士毕业于中国科学技术大学，师从吴长征教授。主要研究方向为氢燃料电池的关键材料及其电池器件的开发和优化。通过表界面合成手段，主要包括阴离子修饰、多级结构组装、表界面重组等优化催化剂和膜电极结构活性位点、导电性、三相界面等关键参数，实现了贵金属催化剂展现出高效的氧还原反应性能以及在氢氧燃料电池上的大功率放电测试，力求实现其在更广泛领域的应用。