2019年11月15日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》以研究長文形式刊發(fā)華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院夏寶玉教授團隊的最新研究成果《Engineering bunched Pt-Ni alloy nanocages for efficient oxygen reduction in practical fuel cells》。該文闡述了夏寶玉教授團隊在高效長壽命鉑合金催化劑的最新研究進展：采用（電）化學(xué)腐蝕方法對鉑基催化劑的近表面結(jié)構(gòu)和組分進行調(diào)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(fā)展燃料電池行之有效的關(guān)鍵手段。
化學(xué)與化工學(xué)院田新龍博士為第一作者，日本電氣通信大學(xué)趙曉博士和荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)蘇亞瓊博士為論文共同第一作者。華中科技大學(xué)為第一作者單位，化學(xué)與化工學(xué)院夏寶玉教授和新加坡南洋理工大學(xué)樓雄文教授為論文的共同通訊作者。據(jù)悉，這也是化學(xué)與化工學(xué)院教師首次在《Science》上發(fā)表論文。
當(dāng)前，經(jīng)濟社會的高速發(fā)展使得開發(fā)新能源轉(zhuǎn)換技術(shù)勢在必行。氧還原反應(yīng)是包括燃料電池和金屬-空氣電池等新能源技術(shù)的核心反應(yīng)，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(yīng)動力學(xué)。因此，研發(fā)低成本、高活性和長壽命的陰極氧還原催化劑是發(fā)展燃料電池等能源技術(shù)的關(guān)鍵。近年來，高活性鉑基催化劑的設(shè)計已經(jīng)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(zhàn)。針對上述難題，夏寶玉教授團隊采用（電）化學(xué)腐蝕的方法對鉑基催化劑的近表面結(jié)構(gòu)和組分進行調(diào)控，獲得了具有一維結(jié)構(gòu)的串狀鉑鎳納米籠結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高穩(wěn)定性的一維結(jié)構(gòu)和高活性的合金空心結(jié)構(gòu)等特征的有效結(jié)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1）。
圖1. 鉑鎳合金結(jié)構(gòu)、形貌和制備示意圖
該催化劑的質(zhì)量活性和比活性達到3.52 A mgPt-1 and 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(yōu)異的催化穩(wěn)定性。經(jīng)連續(xù)5萬圈循環(huán)測試后，其質(zhì)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(yōu)異的性能和穩(wěn)定性（圖2）。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(jié)構(gòu)有利于在優(yōu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
圖2. 鉑鎳合金催化性質(zhì)和氫-氧燃料電池性能
這項工作為合理設(shè)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，將有助于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(fā)展新能源技術(shù)具有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價值。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、華中科技大學(xué)以及化學(xué)與化工學(xué)院等各方面的支持。
論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/366/6467/850
夏寶玉教授予2016年加入華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，將其從事的新能源材料化學(xué)研究與學(xué)院傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科方向腐蝕電化學(xué)相結(jié)合，研究集中在結(jié)構(gòu)功能一體化新材料制備及其在能量轉(zhuǎn)換與存儲等領(lǐng)域，將基礎(chǔ)研究與工程應(yīng)用相結(jié)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(shù)中的服役和失效問題，通過探究腐蝕現(xiàn)象和規(guī)律，利用腐蝕科學(xué)與技術(shù)去開發(fā)新型、穩(wěn)定的材料與器件，達到使電池長壽命服役的目的，實現(xiàn)了傳統(tǒng)腐蝕學(xué)科與新能源領(lǐng)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(dǎo)向，在新材料設(shè)計與制備方面取得了突破性進展，明確了相關(guān)電極材料構(gòu)效關(guān)系和性質(zhì)改善機理，提出了電極材料在能量轉(zhuǎn)換和存儲器件中服役與失效機制，有望對燃料電池行業(yè)的發(fā)展起到重要推動作用。該團隊近年來在包括Science, Nat. Energy, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等國際期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇（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(nèi)外同行引用8000余次，參與3本專著編寫（三章），申請專利6項（已授權(quán)3項）。夏寶玉教授入選2018和2019年度科睿唯安全球高被引科學(xué)家和2019年Journal of Materials Chemistry A Emerging Investigators。
華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院近年來不斷加大高層次人才引進和培養(yǎng)力度，學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)班子親赴各地引智引才，為學(xué)院、學(xué)科的長期發(fā)展建設(shè)謀篇布局、積能蓄力。同時，學(xué)院準確把握學(xué)科布局與發(fā)展定位、學(xué)術(shù)隊伍規(guī)模和層次結(jié)構(gòu)，圍繞能量轉(zhuǎn)換與存儲材料化學(xué)教育部重點實驗室、生物無機化學(xué)與藥物湖北省重點實驗室、材料化學(xué)與服役失效湖北省重點實驗室及學(xué)院重點研究方向引進了一大批青年才俊，著力提升學(xué)院的綜合競爭力。
夏寶玉教授與同學(xué)們在實驗室
