燃料電池作為一種可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，以其清潔和高效受到廣泛關(guān)注，是我國“十三五”規(guī)劃中的重點關(guān)注產(chǎn)業(yè)。但在燃料電池陰極中，由于氧還原反應(yīng)（ORR）動力學(xué)相對較慢，嚴(yán)重依賴貴金屬鉑（Pt）催化劑，成為制約燃料電池大規(guī)模應(yīng)用的一個重要因素。因此，發(fā)展ORR低鉑/非鉑催化劑對推進(jìn)燃料電池大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。過渡金屬單原子催化劑（SAC）展現(xiàn)出了優(yōu)異的ORR性能，近年來引起了極大的關(guān)注。在以往的研究報道中，過渡金屬多為Fe、Co、Ni等。金屬Cu是從多種生命形式中ORR的中心原子，然而，僅有少數(shù)基于Cu SAC的ORR催化劑的研究報道。此外，很少有關(guān)于Cu SAC在燃料電池中的應(yīng)用報道。北京航空航天大學(xué)相艷課題組成功制備了用于燃料電池陰極氧還原反應(yīng)的單原子銅催化劑，該研究成果“A copper single-atom catalyst towards efficient and durable oxygen reduction for fuel cells”于2019年4月以封面論文的形式發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上。 

　　該課題組以酞菁銅為前驅(qū)體，采用簡單熱解法制備了單原子銅催化劑。球差電鏡（HAADF-STEM）照片證明了單原子Cu的均勻分散。同時，利用北京同步輻射裝置1W1B-XAFS實驗站獲取的X射線吸收譜（XANES、EXAFS）證實了Cu SAC的成功制備并進(jìn)一步對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析。電化學(xué)測試結(jié)果表明，該催化劑在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出良好的ORR性能，其半波電位為0.81 V (vs. RHE)，與商業(yè)化Pt/C相差30 mV。同時顯示出優(yōu)異的耐久性，在堿性介質(zhì)中5000次循環(huán)后，半波電位僅有9 mV的負(fù)移?；谠摯呋瘎┑年庪x子交換膜燃料電池在70℃下的峰值功率密度可達(dá)196 mW cm^-2。密度泛函理論計算表明從HOO*到O*的過程是影響其ORR性能的關(guān)鍵步驟。Cu SAC有望成為一種用于燃料電池的非貴金屬ORR催化劑。 

　　圖1 (a) 球差矯正電鏡表征的Cu SAC的形貌。(b) Cu SAC及Cu foil的EXAFS表征。(c) Cu SAC吸附氧的理論計算模型。(d)Cu SAC的耐久性測試。(e) 以Cu SAC作為陰極催化劑的陰離子交換膜燃料電池的極化曲線。(f) 密度泛函計算得到的Cu SAC及Pt(111)的ORR反應(yīng)路徑。 

　　發(fā)表文章： 

　　Cui, L. T.; Cui, L. R.; Li, Z. J.; Zhang, J.; Wang, H. N.; Lu, S. F.; Xiang, Y., A copper single-atom catalyst towards efficient and durable oxygen reduction for fuel cells. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 16690-16695.