鋰電世界  目前和今后很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)仍將是以煤炭為主，但是煤炭的開發(fā)和加工利用已經(jīng)成為環(huán)境污染物排放的主要來源，近年來全國(guó)各地出現(xiàn)的霧霾天氣更是引起人們的高度關(guān)注。因此，發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)是我國(guó)能源發(fā)展的必然選擇。

    燃料電池是一種直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的清潔高效的發(fā)電器件，是解決目前化石類燃料燃燒發(fā)電效率低和污染環(huán)境的最有效手段之一，一直是國(guó)際上清潔能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，可以真正實(shí)現(xiàn)將煤的利用“由黑變綠”。目前，由煤制甲醇和合成氣的生產(chǎn)技術(shù)成熟，成本低。近年來，中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)清潔能源實(shí)驗(yàn)室副研究員孫春文和中國(guó)工程院院士陳立泉圍繞煤炭的清潔高效利用這一課題，致力于碳基燃料的固體氧化物燃料電池（SOFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）的研究。其中，DMFC是以甲醇為燃料，離子交換膜為電解質(zhì)的一類燃料電池。與其它質(zhì)子交換膜燃料電池相比，DMFC最顯著的特點(diǎn)是不用氫氣。甲醇價(jià)格便宜，儲(chǔ)存、攜帶方便，并且有完整的生產(chǎn)銷售網(wǎng)絡(luò)。DMFC尤其適用于交通工具和便攜式電源，此外，也可應(yīng)用于軍事潛艇、單兵作戰(zhàn)電源等，應(yīng)用前景十分廣闊。但是，開發(fā)具有高催化活性和抗CO毒化的甲醇電氧化催化劑仍然是目前DMFC面臨的兩大挑戰(zhàn)。

    最近孫春文、陳立泉和博士生楊偉與先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室副研究員馬超、研究員李建奇以及北京工業(yè)大學(xué)教授李釩研究組、哈爾濱工程大學(xué)教授陳玉金研究組合作研究了一種新型高活性、抗CO毒化的直接甲醇燃料電池（DMFCs）催化劑Pt/Mo2C納米管。催化劑設(shè)計(jì)策略為：利用了一維Mo2C納米管優(yōu)良的電子傳輸特性以及Mo2C在酸性環(huán)境中優(yōu)異的抗腐蝕性能；通過原子層沉積技術(shù)（ALD）可控地在Mo2C納米管表面均勻地沉積了直徑為2~6nm的高活性Pt納米顆粒。研究發(fā)現(xiàn)，該催化劑對(duì)甲醇電化學(xué)氧化的催化活性比目前商品Pt/C和PtRu/C催化劑都高。更重要的是，他們觀察到在Mo2C納米管表面可控地生成了一層有利于甲醇溶液中OH吸附的MoOx層，從而為甲醇電氧化反應(yīng)提供了一個(gè)OH“儲(chǔ)存池”；扮演了與PtRu/C催化劑中Ru在活化水解離生成羥基方面相似的角色。CO溶出伏安實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該催化劑表現(xiàn)出比商品PtRu/C更優(yōu)異的抗CO毒化性能。隨后他們與加拿大光源Jigang Zhou和Jian Wang博士等人合作利用同步輻射吸收譜和目前世界上最先進(jìn)的掃描透射X射線顯微鏡(STXM)證實(shí)了在Pt納米顆粒和Mo2C納米管之間存在強(qiáng)的化學(xué)相互作用，Pt和Mo2C之間存在協(xié)同催化效應(yīng)，首次從實(shí)驗(yàn)上給出了證據(jù)。這種催化劑設(shè)計(jì)不僅降低了Pt的用量，而且顯著地改善了其在甲醇氧化條件下的耐久性，為設(shè)計(jì)下一代高活性催化劑提供了一種新的思路，被編輯和審稿人評(píng)價(jià)為“燃料電池領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展”。相關(guān)結(jié)果近期發(fā)表在《自然》雜志子刊NPG Asia Materials 7, e153 （2015）。楊偉為共同第一作者，孫春文為通訊聯(lián)系人。

    該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部“973”項(xiàng)目和中科院的資助。

圖1. 在Mo2C納米管上原子層沉積Pt納米顆粒示意圖

圖2. 在ALD600Pt/Mo2C與商品Pt黑, Pt/C和PtRu/C催化劑上甲醇電氧化的循環(huán)伏安曲線比較，溶液為0.5 M H2SO4和0.5 M CH3OH，掃速100 mV s-1，溫度為25oC

圖3. CO溶出伏安曲線：(a) 商品PtRu/C催化劑，(b) ALD600Pt/Mo2C納米管催化劑；掃速50 mV s-1

圖4. 掃描透射X射線顯微鏡C K-邊光學(xué)密度圖像：(a) ALD600Pt/Mo2C, (b) ALD600Pt/Mo2C/甲醇, (c) Mo2C/甲醇, (d)從(a), (b)和(c)選定區(qū)域得到的C K-邊空間分辨的X射線近邊吸收結(jié)構(gòu)譜