近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室、潔凈能源國家實驗室（籌）李燦院士研究團隊在太陽能光-電轉(zhuǎn)化和燃料電池化學能-電能轉(zhuǎn)化交叉領(lǐng)域取得新進展，發(fā)現(xiàn)光催化可以顯著促進氧還原反應(yīng)（ORR）的催化活性，并基于此提出了聚合物太陽能電池和H2-O2燃料電池耦合的疊層電池概念，相關(guān)研究成果以通訊形式發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上（DOI:10.1002/anie.201607118)(文章第一作者為華南理工大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生張丙青)。
H2-O2燃料電池能將氫氣直接高效轉(zhuǎn)化為可廣泛應(yīng)用的電能，同時產(chǎn)生對人類生存環(huán)境友好的水分子，是先進可持續(xù)清潔能源體系發(fā)展的重要方向之一。其中，陰極的ORR是H2-O2燃料電池的控速反應(yīng)（尤其對質(zhì)子膜燃料電池PMFC），直接關(guān)系到整個電池的開路電位和輸出功率。貴金屬鉑是ORR最好的催化劑，但是較高的成本嚴重制約了燃料電池技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化進程。為了解決這個問題，世界范圍內(nèi)大量的研究者致力于開發(fā)替代Pt或降低Pt用量的催化劑，如Pt合金、Pt核殼結(jié)構(gòu)催化劑、C基催化劑等；但是，截至目前，催化ORR的過電位仍然需要至少0.2V左右。因此，發(fā)展降低O2活化過電位和提高ORR反應(yīng)活性的新催化策略和新思路十分重要。
大連化物所光催化輔助燃料電池ORR研究取得新進展
在本工作中，研究人員將光催化引入ORR，發(fā)現(xiàn)采用聚合物半導體光催化劑、光照可顯著促進ORR的電催化活性，起始電位由0.66V正移到1.34V（遠遠超過商業(yè)鉑催化劑的1.0V），且電流在0.6V時增大了44倍。由此構(gòu)建的光驅(qū)動概念型H2-O2燃料電池中，光照使燃料電池的開路電壓從0.64V增大到1.18V，短路電流增大1倍。光催化使半反應(yīng)ORR和全電池反應(yīng)的電位分別增大0.68V和0.54V，且該電壓值與目前研究的大多數(shù)聚合物太陽能電池的電壓（0.6-0.8V）相接近。光驅(qū)動概念型H2-O2燃料電池可被認為是聚合物太陽能電池和H2-O2燃料電池疊層耦合的結(jié)果。光促進分子氧還原的機理可能是光激發(fā)聚合物的電子從價帶到導帶，導帶上激發(fā)態(tài)的電子具有足夠的電勢轉(zhuǎn)移填充到氧分子的反鍵軌道（2p*，2s*），從而使氧還原反應(yīng)更加容易。該研究結(jié)果為解決燃料電池ORR反應(yīng)動力學問題開拓了新的思路，顯示出潛在的應(yīng)用價值。
該工作得到了科技部973項目、國家自然科學基金，以及教育部2011協(xié)同創(chuàng)新中心（iChEM）太陽能研究項目的支持。
