上硅所《Nature Materials》發現鋯基材料或可取代昂貴的Pt催化劑！

 
化石能源的大量使用帶來了嚴重的環境污染和能源危機?？梢灶A見，在不久的將來，人類社會的能源利用方式將從有限的碳基化石能源轉換到無盡的可再生能源。燃料電池和金屬空氣電池在這類能源轉換中扮演著重要的角色。當前，燃料電池中一直使用的是昂貴的Pt催化劑；據報道，Pt催化劑占到整個燃料電池成本的20%左右，這是導致這類高效能源器件尚未得到大規模使用的重要原因之一。因此，發展具有高活性和穩定性的低成本電催化材料依然保持很大的挑戰。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所王家成研究員和中國科學院寧波材料技術與工程研究所楊明輝研究員（共同通訊作者）聯合英國愛丁堡大學J. Paul Attfield教授（共同通訊作者）和印度理工學院Tiju Thomas教授發現鋯基材料表現出可取代貴金屬Pt催化劑的巨大潛力。Pt金屬儲量非常稀少，價格非常昂貴，高達約300元每克；相比較，Zr金屬儲量豐富，價格僅為Pt的1/700。
該研究成果近日發表在國際期刊Nature Materials（doi: 10.1038/s41563-019-0535-9，IF=38.9），上論文題目為“Zirconium Nitride Catalysts SurpassPlatinum for Oxygen Reduction”。王家成研究員作為該論文的共同第一作者，參與了實驗設計、數據分析、機理挖掘等重要工作。上海硅酸鹽所馬汝廣副研究員參與了該工作。
在該研究中，科研人員采用一種溫和的urea-glass方法，在更低的溫度下制備出了高活性ZrN納米顆粒，研究表明其具有比肩商用Pt催化劑的活性。此外，ZrN還表現出了比Pt更優異的長期使用穩定性。在實際的鋅空氣電池測試中，商用Pt催化劑使用一段時間后性能衰減明顯；而ZrN催化劑性能衰減要緩慢很多。
未來，該研究團隊將進一步和產業界合作，努力將該實驗室研究成果轉換成實際的創新產品,這將有助于清潔能源的大規模使用，并有望為解決能源危機和環境污染問題作出貢獻。