中年|纽约州立大学武刚团队EES：单金属位点催化剂在甲醇燃料电池的突破性进展( 二 )
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图5. HAADF-STEM-EELS 分析 。
第三个亮点是氢气-空气燃料电池性能突破 。 团队首先利用旋转圆环圆盘电极（RRDE）测试和质子交换膜燃料电池评估了材料的催化性能（图6） 。 通过优化第一步掺杂Co/Zn的比例以及第二步吸附Fe的含量 ， RRDE酸性介质测试中氧还原E1/2可达到0.85 V 。 质子交换膜燃料电池测试结果表明通过调节Co掺杂量可以有效提高传质效果 ， 优化峰功率密度可达到500 mW/cm2以上 ， 再次证明了Co掺杂对于催化剂中孔结构的有效改善 。
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图6. 催化剂在RRDE以及PEMFC中的性能表征 。
本文第四个亮点是将催化剂应用于甲醇燃料电池测试（图7）并取得优异性能 。 在甲醇-空气电池测试中 ， 评估了此Fe/Co-N-C催化剂在不同甲醇浓度下的开路电压以及峰功率密度 。 与贵金属催化剂相比 ， 此双金属催化剂表现出了相当优越的甲醇耐受性 ， 表现为较高的开路电压以及高浓度甲醇下较小的性能衰减 。 得益于M-N-C催化剂较高的甲醇耐受性以及优越的传质效果 ， 此工作首次取得了135 mW/cm2的功率密度 ， 远远高于以往任何PGM-free M-N-C催化剂在甲醇-空气电池测试中的性能 。
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图7. 催化剂在甲醇-空气燃料电池中的性能表征 （A和D:Fe/Co-N-C, B和E：Pt/C） 。
此文章为M-N-C催化剂应用于其他燃料电池 ， 例如直接乙醇燃料电池、直接氨燃料电池等提供了研究思路以及更广泛的应用前景 。
文献详情
Methanol Tolerance of Atomically Dispersed Single Metal Site Catalysts: Mechanistic Understanding and High-performance Direct Methanol Fuel Cells
Qiurong Shi, Yanghua He, Xiaowan Bai, Maoyu Wang, David A. Cullen, Marcos Lucero, Xunhua Zhao, Karren L More, Hua Zhou, Zhenxing Feng, Yuanyue Liu, Gang Wu
Energy Environ. Sci.,2020, DOI: 10.1039/D0EE01968B
导师简介
武刚教授的研究领域是电化学能源科学与技术 。 他于2004年在哈尔滨工业大学电化学工程专业获得博士学位 ， 之后在清华大学（2004-2006） ， 美国南卡罗莱纳大学（2006-2008） ， 美国能源部洛斯阿拉莫斯国家实验室（2008-2010）从事博士后研究工作 。 2010年他晋升为该国家实验室的永久研究员 。 2014年他加入纽约州立布法罗大学的化学工程系任助理教授(assistant professor) ， 开始了他独立的学术生涯 。 自从2014年 ， 他的研究课题组获得美国能源部和国家自然基金资助超过四百万美元 。 由于他的杰出贡献 ， 2018和2020年提前晋升为该校的终身副教授和正教授 。 他发展的非贵金属催化剂被广泛认为是燃料电池催化剂研究的重大突破 ， 使昂贵的铂金催化剂能够被廉价的材料所取代成为可能 。 这项工作 ， 他以第一作者于2011年发表在《科学》杂志 ， 并受到了广泛的关注(引用超过3100次) 。 同时他的研究还广泛的涉及到目前的学术研究热点 ， 可再生能源的开发和利用 ， 特别是电化学能源转化和存储, 以及光电催化和先进材料的研究 。 他已经在国际学术期刊发表论文250多篇包括Science, Nature Catalysis, JACS, Advanced Materials, Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Nano Letters, Materials Today, Nano Today和Advanced Energy Materials 。 他的工作被国际同行引用超过24000次 [h index: 77] 。 2018和2019年连续被评为科睿唯安高被引科学家 。
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