11月15日，國際頂級學術期刊《科學》以研究長文形式在線發表華中科技大學化學與化工學院夏寶玉團隊的最新研究成果“Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells”。
該文闡述了團隊在高效長壽命鉑合金催化劑的最新研究進展：採用（電）化學腐蝕方法對鉑基催化劑的近表面結構和組分進行調控，從而大幅提升高效鉑鎳合金催化劑在實際燃料電池器件中的服役水平和壽命，有望成為發展燃料電池行之有效的關鍵手段。
圖為《科學》在線發表夏寶玉團隊成果。
華中科技大學化學與化工學院田新龍博士為第一作者，日本電氣通信大學趙曉博士和荷蘭埃因霍溫理工大學蘇亞瓊博士為論文共同第一作者。華中科技大學為第一作者單位，夏寶玉和新加坡南洋理工大學樓雄文教授為論文的共同通訊作者。據悉，這也是華中科技大學化學與化工學院教師首次在《科學》上發表論文。
為破解難題，團隊這麼幹
當前，經濟社會的高速發展使得開發新能源轉換技術勢在必行。氧還原反應是包括燃料電池和金屬-空氣電池等新能源技術的核心反應，需要價格昂貴、資源稀缺的貴金屬鉑作為催化劑克服較為遲緩的氧還原反應動力學。
因此，研發低成本、高活性和長壽命的陰極氧還原催化劑是發展燃料電池等能源技術的關鍵。近年來，高活性鉑基催化劑的設計已經取得突破，但催化劑仍然面臨著在實際燃料電池器件中的服役水平與壽命的重大挑戰。
針對上述難題，夏寶玉團隊採用（電）化學腐蝕的方法對鉑基催化劑的近表面結構和組分進行調控，獲得了具有一維結構的串狀鉑鎳納米籠結構，實現了高穩定性的一維結構和高活性的合金空心結構等特徵的有效結合，從而大幅提升了高效鉑鎳合金催化劑在全電池中服役水平和壽命。
圖為鉑鎳合金結構、形貌和製備示意圖
該催化劑的質量活性和比活性達到3.52 A mgPt-1和5.16 mA cmPt-2，是目前商用催化劑的17倍和14倍。更加令人振奮的是，該催化劑展示出極為優異的催化穩定性。經連續5萬圈循環測試後，其質量活性只衰減了1.3%。此外，以該催化劑組裝的燃料電池也展示出優異的性能和穩定性。原位X射線同步輻射吸收光譜和理論計算表明，這種催化劑結構有利於在優化氧還原過程中的鉑氧物種吸附強度，在改善氧還原催化性能的同時，亦能保持催化劑的較高活性和結構穩定性。
圖為鉑鎳合金催化性質和氫-氧燃料電池性能示意圖
這項工作為合理設計低成本、高活性和長壽命鉑合金催化材料提供了一種有效的策略，將有助於提升鉑合金催化材料在新能源器件中的服役水平和壽命，對發展新能源技術具有重要科學意義和應用價值。該研究得到了千人計劃、國家自然科學基金委、華中科技大學和化學與化工學院等各方面的支持。
成果背後
夏寶玉於2016年加入華中科技大學化學與化工學院，將其從事的新能源材料化學研究與學院傳統優勢學科方向腐蝕電化學相結合，研究集中在結構功能一體化新材料製備及其在能量轉換與存儲等領域，將基礎研究與工程應用相結合，開展了系列富有成效的研究。
團隊重點探究新材料在新能源技術中的服役和失效問題，通過探究腐蝕現象和規律，利用腐蝕科學與技術去開發新型、穩定的材料與器件，達到使電池長壽命服役的目的，實現了傳統腐蝕學科與新能源領域的深度交叉融合。
團隊以高活性長壽命低成本電極材料為導向，在新材料設計與製備方面取得了突破性進展，明確了相關電極材料構效關係和性質改善機理，提出了電極材料在能量轉換和存儲器件中服役與失效機制，有望對燃料電池行業的發展起到重要推動作用。
該團隊近年來在Science, Nat. Energy, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等國際期刊發表學術論文70餘篇（包括1篇ESI熱點論文和21篇ESI高被引論文），研究成果被國內外同行引用8000餘次，參與3本專著編寫（三章），申請專利6項（已授權3項）。夏寶玉入選2018和2019年度科睿唯安全球高被引科學家和2019年Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators。
圖為夏寶玉（右二）與同學們在實驗室
華中科技大學化學與化工學院近年來不斷加大高層次人才引進和培養力度，學院領導班子親赴各地引智引才，為學院、學科的長期發展建設謀篇佈局、積能蓄力。學院準確把握學科佈局與發展定位、學術隊伍規模和層次結構，圍繞能量轉換與存儲材料化學教育部重點實驗室、生物無機化學與藥物湖北省重點實驗室、材料化學與服役失效湖北省重點實驗室及學院重點研究方向引進了一大批青年才俊，著力提升學院的綜合競爭力。
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