大连化物所光催化辅助燃料电池氧还原反应研究取得新进展

近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室、洁净能源国家实验室（筹）李灿团队在太阳能光-电转化和燃料电池化学能-电能转化交叉领域取得新进展，发现光催化可以显著促进氧还原反应（ORR）的催化活性，并基于此提出了聚合物太阳能电池和H2-O2燃料电池耦合的叠层电池概念，相关研究成果以通讯形式发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）期刊上（DOI:10.1002/anie.201607118)(文章第一作者为华南理工大学联合培养博士生张丙青)。

H2-O2燃料电池能将氢气直接高效转化为可广泛应用的电能，同时产生对人类生存环境友好的水分子，是先进可持续清洁能源体系发展的重要方向之一。其中，阴极的ORR是H2-O2燃料电池的控速反应（尤其对质子膜燃料电池PMFC），直接关系到整个电池的开路电位和输出功率。贵金属铂是ORR最好的催化剂，但是较高的成本严重制约了燃料电池技术的发展和商业化进程。为了解决这个问题，世界范围内大量的研究者致力于开发替代Pt或降低Pt用量的催化剂，如Pt合金、Pt核壳结构催化剂、C基催化剂等；但是，截至目前，催化ORR的过电位仍然需要至少0.2V左右。因此，发展降低O2活化过电位和提高ORR反应活性的新催化策略和新思路十分重要。

在该工作中，研究人员将光催化引入ORR，发现采用聚合物半导体光催化剂、光照可显著促进ORR的电催化活性，起始电位由0.66V正移到1.34V（远远超过商业铂催化剂的1.0V），且电流在0.6V时增大了44倍。由此构建的光驱动概念型H2-O2燃料电池中，光照使燃料电池的开路电压从0.64V增大到1.18V，短路电流增大1倍。光催化使半反应ORR和全电池反应的电位分别增大0.68V和0.54V，且该电压值与目前研究的大多数聚合物太阳能电池的电压（0.6-0.8V）相接近。光驱动概念型H2-O2燃料电池可被认为是聚合物太阳能电池和H2-O2燃料电池叠层耦合的结果。光促进分子氧还原的机理可能是光激发聚合物的电子从价带到导带，导带上激发态的电子具有足够的电势转移填充到氧分子的反键轨道（2p*，2s*），从而使氧还原反应更加容易。该研究结果为解决燃料电池ORR反应动力学问题开拓了新的思路，显示出潜在的应用价值。

该工作得到了科技部“973”项目、国家自然科学基金以及教育部2011协同创新中心（iChEM）太阳能研究项目的支持。