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燃料電池是一種化學(xué)電池，它利用物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋出的能量，直接將其變換為電能。也是繼火電、水電、核電之后的第四種發(fā)電裝置，是當(dāng)今世界各科技強(qiáng)國(guó)都十分重視的高新技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。電池陰極的氧還原反應(yīng)的鉑基催化劑活性和穩(wěn)定性較低，制約了電池的輸出功率和充放電循環(huán)次數(shù)，從而增加了整個(gè)燃料電池的成本。因此，高活性、高穩(wěn)定性的陰極催化劑的制備成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。空心框架結(jié)構(gòu)以其高比表面積、高活性位點(diǎn)占比等優(yōu)點(diǎn)成為最有潛力的催化劑制備策略之一。該研究團(tuán)隊(duì)受三維立方體向四維超立方體演變的啟發(fā)，將鈀鉑均勻合金立方體進(jìn)行氧化刻蝕，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控鈀原子的去除和余下鈀原子與鉑原子的重排，得到鈀鉑合金超立方體框架結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)調(diào)節(jié)初始立方體中鈀、鉑兩種元素的比例，還可以得到八足體和立方框架結(jié)構(gòu)。
幾種鈀鉑框架結(jié)構(gòu)催化劑和商用鉑碳催化劑的單位質(zhì)量活性對(duì)比
在氫氧燃料電池陰極催化測(cè)試中，立方框架結(jié)構(gòu)、超立方體結(jié)構(gòu)和八足體結(jié)構(gòu)的單位質(zhì)量活性分別達(dá)到了商用鉑碳催化劑的4.1倍、11.6倍和8.3倍。此外，超立方體結(jié)構(gòu)催化劑還表現(xiàn)出了最高的本征活性（2.09安培/平方厘米）和優(yōu)異的性能穩(wěn)定性。密度泛函理論計(jì)算表明超立方體表面晶面的氧吸附能最接近于理論最優(yōu)值，這一趨勢(shì)與實(shí)際測(cè)試的氧還原活性順序相一致。這種新的超立方體框架催化劑設(shè)計(jì)理念為今后相關(guān)電催化劑的設(shè)計(jì)提供了新的思路。
該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目等資助。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
來(lái)源：中國(guó)科大化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 中國(guó)科大合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心 中國(guó)科大科研部
