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一種新型鐵基催化劑有望突破質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）的“鉑金瓶頸”，為氫能大規(guī)模應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。該成果由中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所與深圳大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，近日發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。 質(zhì)子交換膜燃料電池可將氫能直接轉(zhuǎn)化為電能，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、啟動(dòng)快、零碳排放等突出優(yōu)勢(shì)，是交通動(dòng)力和分布式供能的重要發(fā)展方向。然而，其陰極氧還原反應(yīng)嚴(yán)重依賴貴金屬鉑催化劑，導(dǎo)致成本高昂和資源限制，制約了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)出具有“納米限域空心多殼層結(jié)構(gòu)”的單原子鐵催化劑（CS Fe/N-C）。該結(jié)構(gòu)通過(guò)將鐵原子精準(zhǔn)錨定在碳?xì)?nèi)表面，形成了獨(dú)特的“內(nèi)激活-外保護(hù)”催化微環(huán)境。外層石墨化碳不僅有效調(diào)控反應(yīng)中間體的吸附強(qiáng)度，還顯著抑制了有害自由基的生成，解決了非貴金屬催化劑穩(wěn)定性差的共性難題。 先進(jìn)光譜表征與理論計(jì)算表明，該催化劑中鐵活性中心呈特定的電子結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境，打破了傳統(tǒng)氧還原反應(yīng)中間體吸附能的線性關(guān)系，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高活性與高穩(wěn)定性。在實(shí)際燃料電池測(cè)試中，其功率密度達(dá)到0.75 W/cm2，連續(xù)運(yùn)行300小時(shí)后性能保持率超過(guò)85%，綜合性能位居非鉑催化劑前列。 該研究不僅展示了一種具有應(yīng)用潛力的新型鐵基催化劑，更為下一代高性能燃料電池催化劑的設(shè)計(jì)提供了原創(chuàng)性策略，有望加速氫能技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 --《每日科學(xué)》網(wǎng)站（www.sciencedaily.com） |
