庄林：高效协同锰钴催化剂对碱性聚电解质燃料电池的氧还原性能优于铂

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《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表化学与分子科学学院庄林、肖丽课题组关于碱性聚合物电解质燃料电池（APEFC）非贵金属催化剂的最新研究成果。

论文题为“Synergistic Mn-Co catalyst outperforms Pt on high-rate oxygen reduction for alkaline polymer electrolyte fuel cell”（《高效协同锰钴催化剂对碱性聚电解质燃料电池的氧还原性能优于铂》），第一作者汪瀛是庄林教授的博士生。

APEFC是一类新型燃料电池，其特点是可使用非贵金属催化剂，有望大幅降低造价，解决我国目前车用燃料电池关键材料依赖进口的“卡脖子”问题。3年前，该课题组在研究MnCo尖晶石（MCS）催化剂时发现：虽然在溶液中MCS对氧还原反应（ORR）的催化活性低于铂（Pt）催化剂，但在电池中的表现却不逊于Pt，甚至在低湿度条件下明显优于Pt电极。在随后一年时间中，课题组结合多种谱学和计算方法，全面揭示了这一新奇发现背后的机理。在APEFC阴极，水分子参与ORR但并非大量存在，因此水分子的活化成为一个关键因素。在MCS催化剂中，Mn与Co分别扮演着不同的角色，Mn活化O2而Co活化H2O，协同催化伴随质子转移的电极反应。这种机理是相对憎水的Pt表面所缺乏的。

该发现不仅揭示了燃料电池催化剂设计的一个重要原理，而且使APEFC非贵金属阴极性能达到一个高水平，60oC下单电池功率密度达1.1W/cm2。可以预见，这一研究进展将有力推动APEFC的实用化进程。在这一领域，庄林课题组自2008年在《美国国家科学院院刊》报道首例非贵金属催化剂APEFC原型以来，在材料和催化等方面的研究不断取得进展，碱性聚电解质这一关键材料开始走向商品化。

碱性聚合物电解质燃料电池

该工作得到美国康奈尔大学Héctor D. Abruña教授、武汉大学物理科学与技术学院王建波教授、台湾科技大学黄炳照教授等合作者在同步辐射光源谱学和球差校正透射电镜测试方面的帮助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-09503-4

庄林教授毕业于武汉大学化学院，曾在美国康奈尔大学材料研究中心作访问学者，并于2004年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”；曾获“中国化学会青年化学奖”、首届“中国电化学青年奖、日本化学会Distinguished Lectureship Award以及教育部自然科学二等奖（第一完成人）；2011年获国家杰出青年科学基金资助。