胡劲松课题组在非贵金属燃料电池催化剂与器件方面取得新进展

　　燃料电池是氢能“制储输用”全链条发展的重要环节之一，也是氢能在交通运输行业应用的载体。在全球碳中和愿景对于燃料电池规模化商用的需求背景下，发展非贵金属基高活性与高稳定性的氧还原反应（ORR）催化剂至关重要。 

　　在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和北京分子科学国家研究中心的资助下，化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室胡劲松课题组一直致力于开发高活性高稳定性的过渡金属氮碳（M-N-C）基电催化剂及器件。前期开发了级联保护策略普适性地合成系列高载量M-Nx位点氧还原催化剂（Nat. Commun. 2019, 10(1), 1278）；开发了亚稳态岩盐相氧化物介导的方法实现了高密度、小尺寸且高度石墨化碳层与外层多孔碳网络双重保护的M@NC氧还原电催化剂及高性能能源器件（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 7116-7127）；阐释了单原子分散Mn-Nx位点调控局域环境来提升单原子分散Ni-Nx位点电催化性能的机制（Chem. Sci. 2022, 13, 13172）；揭示了高负载Cu-N-C单原子催化剂在反应条件下原位衍生的Cu/CuNC异质界面的协同催化机制等（Natl. Sci. Rev. 2023, 10, nwac248）。 

　　近期，该课题组与合作者们开发了一种界面组装策略，通过构建中空纳米笼结构，将高密度二元单原子Fe/Co-Nx位点限制在多孔壳层内外表面，实现了高位点密度、高位点利用率的二元单原子Fe/Co-Nx氧还原催化剂。催化剂单位电化学有效位点密度可达7.6×1019 sites g-1，超过了绝大多数已报道的M-Nx催化剂，是金属载量相似的常规实心催化剂的3.7倍。在碱性燃料电池和锌空气电池中，FeCo-NCH材料组装器件的峰值功率密度分别为569.0或414.5 mW cm-2，是用金属载量相似的常规实心催化剂组装的对比器件的3.4或2.8倍。这些结果不仅直观地证实了催化位点利用率直接影响燃料电池和锌空电池的功率密度，而且为探索高效低成本的非贵金属电催化剂在各类能源器件中的应用提供了新的思路。相关研究成果发表于Nature Communications期刊（Nat. Commun. 2023, 14, 1822），第一作者为化学所博士生蒋哲和北京化工大学的刘雪瑞与中科院物理所的刘效治博士，通讯作者为化学所胡劲松研究员和唐堂博士以及广西师范大学樊友军教授。 


界面组装策略构建高密度高利用率的二元Fe/Co-Nx位点用于高效能源器件