2024年02月01日
来自西交利物浦大学化学系的Heechae Choi教授近日解决了设备现象与经典电化学理论之间的差异问题，首次揭示了燃料电池阴极反应的秘密。论文 "Switching Electric Double Layer Potential by Phase Structure Control for Advanced Oxygen Reduction Reaction of Cobalt@Nitrogen Doped Carbon Core-Shell" 最近被顶级化学期刊《Small》(Wiley，影响因子13.3)发表。
大多数商用氢动力车辆的燃料电池阴极都使用金属/碳复合材料作为氧还原反应(ORR)的电催化剂(图1)。
迄今为止，由于经典的电化学理论不适用于这种现代技术，大多数金属/碳的开发都是通过多次且昂贵的试错试验完成的。
图1.汽车燃料电池示意图、阴极反应以及钴/碳复合纳米颗粒的透射电子显微镜图像
Heechae Choi教授和他的理论小组将经典电动力学理论和量子力学计算相结合(图2)，创建了一个改进版的电双层(EDL)理论模型。在他的理论预测中，钴核心纳米颗粒在碳壳内的相变会改变EDL中纳米颗粒表面附近的静电势。
图2.比较经典电化学理论和XJTLU理学院化学系提出的新理论(顶部)，以及对钴@碳核壳纳米颗粒的预测
为了证明Choi教授的新理论和预测，来自韩国釜山国立大学(PNU)的著名等离子体合成领域的知名科学家Helena Oi Lun Li教授和他的研究小组对不同相态的钴核心(面心立方晶体结构(FCC)和六方密堆积(HCP))的钴@碳核壳纳米颗粒进行了氧还原反应(ORR)的电催化活性的测试。
图3.等离子体合成的钴@碳纳米颗粒
图4.商业铂基材料(Pt/Vulcan)与XJTLU-PNU开发的钴@碳的电流密度的比较(H. Choi，O. L. Li，Small)
Choi教授的新理论预测和Li教授的等离子体合成技术表明，与目前昂贵的商用铂基材料相比，更便宜的钴金属可以在汽车燃料电池中产生更高的效率(图4)。
这项宝贵的科研成果是2023年7月中国西交利物浦大学理学院与韩国釜山国立大学(PNU)材料科学与工程学院签署谅解备忘录后，双方加强紧密合作后的科研成果。
图5. 2023年7月3日(顶部)在韩国和2023年10月28日(底部)在中国拍摄的XJTLU-PNU合影。
这项国际合作研究工作在电化学理论领域具有重要意义。它是该团队在可再生能源材料发现和发展方面的众多合作努力中的第一个，旨在为改善人类的福祉和幸福做出贡献。
2024年02月01日