2024年7月13日-15日，第一届Green Carbon青年编委会化学方向研讨会暨“绿碳能源化学与过程”学术沙龙在青岛召开。海南大学田新龙教授应邀出席，并作题为“高稳定性电催化剂”的邀请报告。
高稳定性电催化剂
一
背景介绍
氧还原反应是氢氧燃料电池、金属-空气电池等新能源转换技术中的核心反应。由于氧还原反应动力学过程较为迟缓，需要开发高活性和稳定性的电催化剂来克服迟缓的氧还原反应动力学，目前最有效的电催化剂仍是贵金属铂基催化剂。由于电催化剂在催化过程中面临强酸、强碱的腐蚀性环境，以及高电压、大电流等工作条件，多种因素交叉影响，使得催化剂极易腐蚀导致稳定性衰减。那么，如何提高催化剂的稳定性是本领域的一个巨大挑战。在本报告中田新龙教授介绍了其团队在围绕高稳定性氧电催化剂设计方面的相关工作，他们通过对活性金属或/和载体的调控，实现了高活性和高稳定性的氧电催化剂的可控构筑。
田新龙教授在“绿碳能源化学与过程”学术沙龙上作邀请报告
二
报告内容
针对高稳定性电催化剂这一科学问题，田新龙教授从活性金属和载体两个方面展开，通过原子层面活性位点设计与构筑和催化机制的解析，为实现催化剂的精准设计和合成提供了理论和实验依据，从而指导构建了高稳定性电催化剂。
01 催化剂调控
（1）创制一维串状纳米笼低铂催化剂
综合空心结构的高利用率、合金结构的协同效应以及一维结构的高稳定性特点，田新龙教授团队发展了低铂合金催化剂的配位和应力效应系统调控新方法，创制了具有较高氧还原催化性能的一维串状纳米笼低铂催化剂。首先，该催化剂在0.54-0.9 V的电势反应区间内具有较低的Pt-O/OH吸附强度，不仅有利于反应物种的吸附，而且有利于产物的脱附，达到了吸附/脱附的平衡状态，实现了催化剂的高活性；其次，较低的Pt-O/OH吸附强度有利于抑制Pt的溶解，实现了催化剂的高稳定性；最后，该催化剂在实验室进行了180 h的稳定性测试，结果表明该催化剂实现了器件层面的高性能。
图1. 一维串状纳米笼低铂催化剂的合成及器件性能测试
（2）揭示核壳结构催化剂稳定性调控机制，实现催化剂高稳定性
合金催化剂具有高稳定性的原因可能是催化剂表面的缺陷度减少。基于此猜想，田新龙教授团队利用Au置换了Pt3Ni催化剂中的部分Pt，理论计算证明Au易于沉积在铂镍表面的缺陷处，这提高了催化剂的稳定性。而Au没有氧还原活性，即该催化剂通过牺牲一定的活性实现了高稳定性。另外，通过增加二维Pd合金纳米片上Au的覆盖度，不仅增加了催化剂的稳定性，同时还提高了催化剂的M-O键吸附强度，实现了催化剂的高活性和高稳定性。
图2. Au覆盖度对性能的影响
（3）提出了多金属活性中心原子级分散的催化剂合成新策略，建立了具有多金属活性中心单原子催化剂新体系
田新龙教授团队借助等离子体技术成功合成了多元催化剂，且催化剂中的原子均以单原子的形式存在。但是以往合成往往是随机的，而非精确合成。通过在单原子型分子催化剂上功能化修饰官能团，利用官能团之间的直接的强结合相互作用成功构筑多中心原子级分散催化剂，进而实现催化剂的精确合成。
02 载体调控
导电、耐腐蚀、结构稳定是高稳定性载体应当具备的特性。经研究发现，金属与载体之间不仅存在电子效应，同时还存在应力效应。在催化剂中掺杂不同的金属元素可以调控电子的转移，载体还会对活性金属产生应力效应，影响催化性能。
通过对活性金属、载体的精准调控，可构建多元金属催化剂，并通过金属与载体之间的电子效应以及应力效应，实现氧电催化剂的高活性和高稳定性，从而推动其走向工业化应用。
三
专家介绍
田新龙，教授，海南大学研究生院副院长（主持工作），国家青年拔尖人才，海南大学“海洋清洁能源创新团队”负责人，团队荣获2022年海南省自然科学奖一等奖、2023年海南青年五四奖章团体；担任海南省电化学储能与能量转换重点实验室副主任、智慧海洋能源与深海资源开发工程研究中心副主任；长期从事电化学能量转换与储存领域的应用基础研究，包括氢燃料电池、海水制氢和海水电池等。以第一/通讯作者在Science等学术期刊上发表SCI论文120余篇；主持国家级项目5项，授权国家发明专利12项、美国发明专利1项；担任J. Eenrgy Chem.、eScience、Carbon Energy等期刊青年编委；获得《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人”、侯德榜化工科学技术青年奖、海南青年科技奖等荣誉。
供稿丨刘祥建 博士后、李雪燕 硕士研究生
中国科学院青岛能源所 功能膜与氢能技术研究中心
指导丨朱佳伟 研究员
中国科学院青岛能源所 功能膜与氢能技术研究中心
编辑丨Green Carbon期刊中心
审核丨Green Carbon期刊中心
关于
Green Carbon
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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用、排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，打造多学科融合的国际一流学术交流平台。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。
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