如何克服燃料电池催化剂的铂依赖难题？同济大学材料科学与工程学院研究团队提出了一种全新的解决方案，通过优化富锂锰基氧化物的电子结构和性能，来替代资源稀缺且昂贵的铂族催化剂。
北京时间2024年4月12日17点，国际顶级期刊《自然·催化》（Nature Catalysis）在线发表了我院马吉伟教授团队的这一研究成果。论文题目为“Stabilization of layered lithium-rich manganese oxide for anion exchange membrane fuel cells and water electrolysers”。
燃料电池是氢能的重要应用场景，是氢经济中不可或缺的一环。其核心部件膜电极，主要包括阴阳两极的催化剂、电解质、气体扩散层和双极板等。催化剂用于促进阴极和阳极反应，将高能垒的反应过程转变为低能垒的反应过程。目前，高性能的燃料电池主要采用高载量的铂族金属作为催化剂，尤其是铂催化剂，导致成本相对较高，从而限制了其大规模应用。为了从根本上摆脱对铂的依赖，需要开发非铂催化剂，并解决燃料电池的性能问题。简言之，要实现燃料电池的大规模应用，非铂催化剂的研究具有极其重要的意义。
构筑低成本的催化剂替代铂催化剂，同时保持优异的电池性能，是目前学术界和产业界共同面临的难题，极具挑战性。基于此，马吉伟教授团队选择非铂金属氧化物催化剂开展研究。该团队以锰酸锂作为研究模型，开发了一种高稳定性、高活性的富锂锰基催化剂材料。通过在富锂锰基材料中引入4d过渡金属Ru取代3d过渡金属Mn，调节金属-氧共价性，从而提高材料的结构稳定性，并显著提升了其催化活性和稳定性。研究还利用原位X射线吸收谱对氧还原反应过程进行了详细解析，提供了Mn和Ru都是氧还原反应直接活性位点的原位谱学证据。此外，该富锂锰基催化剂展示出优异的燃料电池性能，峰值功率密度达到1.2 W cm-2，优于商业化Pt/C催化剂。在水电解槽中，该催化剂在电压为1.9 V时展现了1.2 A cm-2的电流密度，其性能超过了NiFe-LDH、RuO2和其他过渡金属氧化物。
以上研究成果突出了富锂锰基催化剂在燃料电池和电解槽中的重要作用，提供了一类全新低成本催化剂的设计策略。这项研究对于利用电子调控构筑高活性和高稳定性的金属氧化物催化材料具有重要的指导意义。
同济大学为论文第一完成单位，马吉伟教授，Peter Strasser教授和Zhiwei Hu教授为论文通讯作者，团队成员钟雪鹏博士、隋丽君博士和杨孟昊特聘研究员为共同第一作者。该项研究得到国家自然科学基金项目的资助。
