氢能燃料电池（pemfc）具有绿色低碳的优点，是应对未来气候变化、能源需求剧增等挑战的重要手段之一。作为pemfc阴极反应的关键过程，氧还原反应（orr）的效率决定电池的性能、寿命与成本，而铂（pt）基催化剂是燃料电池中促进这一反应的常用催化剂。目前，在商业使用的碳载铂（pt/c）催化剂中，pt活性组分多无序分布于碳载体表面，导致活性位点分布不均；在燃料电池工作过程中，pt与载体的相互作用降低，造成pt纳米颗粒的脱落、迁移与团聚，导致pemfc的性能衰减。
中国科学院广州能源研究所制氢与利用研究室基于分子自组装方法，以吡啶n结构的嵌段共聚物（bcp）为结构导向剂，原位络合pt前驱体，与碳源模板剂自组装，经过碳化、表面改性和还原等后处理手段，得到高度有序的三维蜂窝状pt基介孔纳米材料（pt/n-ohc）。研究表明，pt/n-ohc作为一种可控高维度介孔材料，兼具小尺寸效应、表面效应等纳米尺度的特有性质和长程有序宏观性质。蜂窝结构的催化剂层厚度较小，pt活性位点层次分布于孔道表面和垂直孔的边界，符合middelman关于理想电极催化层的设定，有利于活性位点的充分利用和多相反应物质的传输。研究进一步发现，有序多孔蜂窝结构来源于自组装的结构控制，而pt组分与蜂窝结构中的n通过金属-载体间强相互作用（msi）形成的pt-n配位键能够抑制pt迁移团聚，提高pt活性组分稳定性，其本身还可以作为活性位点，有效降低orr反应中的能垒。同时，研究调整bcp自组装过程中的参数，可以实现pt活性组分从单原子到超细纳米颗粒（粒径低至2.5 nm）的控制和蜂窝结构的厚度控制（20 nm-60 nm），从而更好地调控orr电催化活性。
相关研究成果以three-dimensional ordered honeycomb nanostructure anchored with pt-n active sites via self-assembly of block copolymer: an efficient electrocatalyst towards oxygen reduction reaction in fuel cells为题，发表在journal of materials chemistry a上。研究工作得到中科院sts重点项目和广州市科技计划项目的支持。中科院沈阳金属研究所科研人员参与研究。
3d有序蜂窝状多孔结构负载pt活性组分及其orr电催化性能研究
研究团队单位：广州能源研究所
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