燃（rán）料電池（chí）催化劑可以不“貴”

電動汽車已穿梭在（zài）大街（jiē）小巷（xiàng），燃料電池車還（hái）會遠嗎？實現這（zhè）樣的場景，燃料電池是關鍵。

然而，除生產成本過高外，燃料電池的能量轉換效率因（yīn）陰極（jí）氧還（hái）原反應（yīng）緩慢而受到製約。因此，研究並開發替代貴金屬催（cuī）化劑、提高電催化劑活性（xìng）成為燃料電池發展的（de）重要研究課題之一（yī）。

中（zhōng）國（guó）科學技術大學國家同步輻射實驗室副研究員（yuán）劉慶華團隊在相（xiàng）關研究中（zhōng）取得進展，不（bú）僅開發出一種替代貴金屬（shǔ）催化劑，且其活性高出貴金屬催化劑2～10倍。相關成果近（jìn）日在線發表於（yú）《自然—能源》。

尋（xún）找替代（dài）貴金屬（shǔ）

燃料電池不隻在汽車工（gōng）業的應用前景廣闊，還可用在能源（yuán）發電、家用電源、航空航天等領域。

作為（wéi）一種可直接將燃料的化學能轉化為電（diàn）能的電化學裝置（zhì），燃料（liào）電（diàn）池具有能（néng）量轉換效率高、零（líng）排放或低（dī）排放等優點。“有望成為人類社會清潔高效能源利用的主要形式。”劉慶（qìng）華告訴《中國科學報》。

然而，目前燃料電池的能量轉換效率主要受限於電池陰極緩慢的氧反應的動力學過程。

在（zài）燃（rán）料電池中，鉑（Pt）是最優的陰極氧還（hái）原反（fǎn）應催化（huà）劑（jì），但其儲量（liàng）少、價格昂（áng）貴（guì），是導致燃料電池生產成本較高（gāo）的主要原因；而且鉑作為催（cuī）化劑的化學穩定性較弱（ruò），催化耐（nài）久性不足。劉慶華表示，因此“急（jí）需（xū）開發高活性、高穩定性、低成本的氧關聯催化材料”。

相比於鉑，鐵（Fe）、鈷（gǔ）（Co）、鎳（niè）（Ni）等3d過渡金屬材料在地球的儲量豐富（fù），價格便宜，並且具有高催化活性的潛力，研究人員一直夢想著激活（huó）這（zhè）類3d過渡金屬材料的活性，替代昂（áng）貴的貴金屬催化劑。

但麵臨的挑戰是，如何（hé）有效地（dì）將這（zhè）些過渡金屬原子連接，改變它們的電子結（jié）構（gòu）並激活活性（xìng）。

劉慶華等（děng）科研人員（yuán）注（zhù）意到，金屬有（yǒu）機框架化合物這類材料（liào）可以通過有機連接劑將金屬原子整（zhěng）齊地排列起來。“一是宏觀上金屬（shǔ）原子以單（dān）個原子的形式存在，極大地增加了金屬原子的利用率；二是中間的有機連接劑為通過（guò）外力手段調控提供了可能。”劉慶華（huá）說。

借助同步輻射光源

電（diàn）催化反應過程中，能有效參與反應的位於催化材料—電解質溶液的固—液反應界麵上（shàng）的活性（xìng）位點不足，加之（zhī）催化電極表麵所吸附反應前驅物和反（fǎn）應中間（jiān）產物的濃度極低，給實時探測帶來很大的困難。

不過，高亮度的先進同步輻射光源為研究這一問題提供了（le）契機。

同步輻射是一種（zhǒng）強度大、亮度高、頻譜連續、方向性及偏振性好、有脈（mò）衝時間結構和潔淨真空環境的優異（yì）新型光源，國家同步輻射實驗室有我國第一台以真空紫外和軟X射線為主的專用同步輻射光源（以（yǐ）下簡稱合肥光（guāng）源（yuán））。

劉慶華團隊基於合肥光源，建立並發展了適用於固—液相電催化反應過程原位（wèi）探測的傅裏（lǐ）葉變換（huàn）紅外光譜實驗技術，實現對上述問題的原位實時（shí）在線監測。

同時，研究人員利用（yòng）光誘導晶格應變策略，將晶格應力引入到（dào）過渡金屬基—金屬有機框架（NiFe-MOF）化合物的（de）晶格（gé）中，成功激活（huó）NiFe-MOF化合物金屬節點的催化活（huó）性，實現其高質量活性、高穩（wěn）定性的電驅動氧關聯催化。

在中國科學技術大學合肥微（wēi）尺度物質科學國家（jiā）實驗室特任教（jiāo）授孫永福看（kàn）來，同步輻射傅裏葉變換紅外光譜實（shí）驗技術（shù）的完善，對其他利用（yòng）同（tóng）步輻射光（guāng）源的原位（wèi）技術起到了（le）指導作用。“為進一步研究燃料電池的內在機製，發展燃料電池體係提供了技術支持。”他告訴（sù）《中（zhōng）國科學報》。

活（huó）性高出2～10倍

在此基礎上，劉慶華（huá）團（tuán）隊（duì）首次觀察到在氧（yǎng）催化過程中，伴隨著過（guò）渡金屬（shǔ）基鎳活性中心價態的升高，氧反應關鍵中間產物*OOH出現並與（yǔ）Ni4+高價活（huó）性中心直接成鍵，從原子（zǐ）水平上揭示了NiFe-MOF化合物催化材料高效的電催化反應機製。

劉慶華介紹，在（zài）氧（yǎng）催化（huà）反應中，NiFe-MOF化（huà）合物表現出優異（yì）的電催（cuī）化氧（yǎng）還原和（hé）氧析出活性，是（shì）以碳為基的鉑催化劑（Pt/C）的2～10倍。

例如，將NiFe-MOF材料用（yòng）在氧還原反應（yīng）中，NiFe-MOF的催化質量活性每（měi）克（kè）金屬高達500安，Pt/C的催化質量活性在（zài）相同條件下為每克金屬260安。

接下來（lái），再將NiFe-MOF材料用在（zài）氧還原的（de）逆反應—氧氧化反應中，NiFe-MOF的催化質量活性更是每克金屬高達2000安，而（ér）二氧化釕在相同條件下的催化質量活性每克金屬僅為17安。

劉（liú）慶華表示，這意味著，“在相同的催化活性（xìng）下，相比於貴金屬催（cuī）化劑，NiFe-MOF材料用量更少（shǎo），極（jí）大地節約材料並進（jìn）一步降低成本（běn）”。

此（cǐ）外，NiFe-MOF化合物催化材料在每（měi）平方厘米100～200毫安（ān）的高電流密度下連續進行200小時（shí）的電催化氧還原或析出氧反應，仍能維持約97％的初始催化活性（xìng），證實NiFe-MOF化合物具有極高（gāo）的化學穩定性和催化耐久性（xìng）。

孫永福認為（wéi），NiFe-MOF化合物有望成為高效的工業燃料電池陰極氧還原催化劑，為發展貴金屬（shǔ）催化替代提供一種新的參考途（tú）徑。

據悉（xī），燃料電池要（yào）滿足工業上實際應用的需（xū）要，需用5000小時以上的壽命和更大的工作電流密度。劉慶華表示，下一步團隊一方麵將通過更長時間的工（gōng）作運行測試，檢驗該材料在工業工作條件下的穩定性和壽命；另一方麵，也（yě）將（jiāng）進行實（shí）際的燃料電池組裝，研究該材料在實際器（qì）件中應用的可能性。

相關論文信息（xī）：DOI:10.1038/s41560-018-0308-8