物理化学学报 >> 2016, Vol. 32 >> Issue (10): 2462-2474.doi: 10.3866/PKU.WHXB201606293

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核壳结构催化剂应用于质子交换膜燃料电池氧还原的研究进展

朱红*(),骆明川,蔡业政,孙照楠   

  • 收稿日期:2016-05-09 发布日期:2016-09-30
  • 通讯作者: 朱红 E-mail:zhuho128@126.com
  • 作者简介:朱红,1957年生。1998年博士毕业于中国矿业大学化工学院。现为北京化工大学理学院,化工资源有效利用国家重点实验室,现代催化研究所所长。教授、博士生导师。主要从事燃料电池阴极催化剂,膜材料的设计与制备,能源化学等方面的基础研究。主持完成国家自然科学基金5项,多次担任国家863、973项目子课题负责人|骆明川,1987年生。2009年本科毕业于北京化工大学应用化学专业,2010年至今在北京化工大学理学院化学专业攻读博士。研究方向为低铂核壳结构电催化剂应用于质子交换膜燃料电池阴极氧还原反应。参与国家自然科学基金项目2项。|蔡业政,1989年生。2013年本科毕业于广西师范大学化学化工学院,2013至今就读北京化工大学理学院研究生。主要研究方向为质子交换膜燃料电池阴极核壳型铂基催化剂合成、表征及应用。参与国家自然科学基金1项;孙照楠,1989年生。2012年本科毕业于北京化工大学应用化学系,2012年至今就读于北京化工大学理学院化学专业硕博连读。主要研究方向为燃料电池阴极非贵金属催化剂合成、表征及应用。参与国家自然科学基金2项。|孙照楠,1989年生。2012年本科毕业于北京化工大学应用化学系,2012年至今就读于北京化工大学理学院化学专业硕博连读。主要研究方向为燃料电池阴极非贵金属催化剂合成、表征及应用。参与国家自然科学基金2项。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(21376022);国际合作项目(2013DFA51860)

Core-Shell Structured Electrocatalysts for the Cathodic Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Hong ZHU*(),Ming-Chuan LUO,Ye-Zheng CAI,Zhao-Nan SUN   

  • Received:2016-05-09 Published:2016-09-30
  • Contact: Hong ZHU E-mail:zhuho128@126.com
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(21376022);International S & T Cooperation Program of China(2013DFA51860)

摘要:

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)由于高比功率密度、高能量转换效率、环境友好和低温下快速启动等优点受到广泛关注,被认为是替代传统内燃机成为汽车动力的最理想能源转换装置。目前PEMFCs仍需较高载量的贵金属Pt作为电催化剂以保持转换效率,因此,开发低Pt量高活性的电催化剂对PEMFCs技术的商业化进程至关重要。核壳结构催化剂被证明是一种能有效降低电极Pt用量的策略,其既能通过结构优势提高贵金属Pt的利用率,又能通过电子或几何效应改善催化剂的催化活性和稳定性。本文首先简介了PEMFCs阴极氧还原反应(ORR)电催化剂构效关系的理论研究;其次综述了几种典型核壳结构电催化剂应用于ORR的研究进展;最后对ORR低Pt电催化剂的下一步研究方向作了展望。

关键词: 质子交换膜燃料电池, 氧还原反应, 低Pt催化剂, 核壳结构, 电子/几何效应

Abstract:

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are considered as ideal alternative power devices to traditional internal combustion engines for automobile applications because of their high electric power density, high energy conversion efficiency, and low environmental impact as well as low temperatures for start-up and operation. However, PEMFCs normally require a high loading of the expensive precious metal platinum (Pt) as the electrocatalytic material to maintain desirable energy output. Thus, the development of novel catalysts with lower Pt loading, enhanced activity, and improved durability is vital for the scalable commercialization of PEMFC technology. In this regard, core-shell structure has been demonstrated as an effective strategy to minimize the amount of Pt in PEMFCs because of the following two factors:(1) a core-shell architecture with a Pt-rich shell and M-rich (M represents an earth-abundant element) core can greatly improve the utilization of Pt; (2) the activity and stability of Pt on the surface can be greatly enhanced by strain (geometry) and electronic (alloying) effects caused by the M in the core. First, we briefly discuss the structure-performance relationship of typical core-shell structured electrocatalysts for the oxygen reduction reaction (ORR). Then, we review the development of Pt-based core-shell structured catalysts for the ORR. Finally, a perspective on this research topic is provided.

Key words: Proton exchange membrane fuel cell, Oxygen reduction reaction, Low-platinum catalyst, Core-shell structure, Electronic/geometric effect

MSC2000: 

  • O646