GIST与KENTECH开发出性能超越铂的下一代燃料电池催化剂
（自左起）GIST化学系 Lim Hyeonseop 教授、Hong Seokwon 教授、KENTECH Hong Jonguk 教授、GIST化学系博士研究生 Kim Hyeonju。
View original image光州科学技术院（GIST）20日表示，化学系 Lim Hyeonseop 教授与韩国能源工程大学（KENTECH）Hong Jonguk 教授共同研究团队，利用基于硒化钯的混合相纳米结构体，开发出了在氧还原反应（ORR）中表现出比现有商用铂催化剂（Pt/C）更优异的电化学性能和耐久性的下一代燃料电池用催化剂。
本次研究聚焦于当不同晶相共存时，在混合相材料中产生的协同效应。研究被认为意义重大之处在于，提出了可替代现有铂基电催化剂的高性能、高耐久性催化剂设计新方向。预计今后将在可应用于燃料电池等高端能量转换技术的混合相材料有效设计策略方面作出重要贡献。
硒化钯（Pd-Se）是由钯（Pd）与硒（Se）结合而成的化合物，通过多种晶体结构而具备适合电化学反应的特性。特别是在燃料电池的氧还原反应中表现出较高的催化活性，被视为可替代铂（Pt）的下一代催化剂，而多种晶相共存的混合相结构则可通过协同效应同时提升性能和耐久性。
迄今为止，Pd-Se 催化剂大多以单一晶相为中心开展研究，因此，不同 Pd-Se 晶相之间的相互作用能够有助于提升催化性能这一事实几乎尚未为人所知。
对此，研究团队全新揭示了混合相结构有利于改善电子传输路径，并有效形成反应活性位点。
本研究的核心在于，无需复杂工艺，仅通过设计单一有机金属前驱体，并对其进行精确热处理，合成出多种 Pd-Se 晶相（如 PdSe2、Pd17Se15、Pd4Se 等）共存的“混合相纳米结构体”。由于不同晶相之间界面的电子结构相互作用所产生的协同效应，氧还原反应的反应速率加快、能量损失减小。结果表明，在多种晶相共存的混合相材料中，其反应效率和耐久性均优于以单一相为基础的传统 Pd/C 或 Pt/C 催化剂。
值得关注的是，研究团队通过理论计算与实验证明，不同 Pd-Se 晶相在氧还原反应各个反应阶段分别发挥各自优势，从而提高整体反应效率，并将能量损失降至最低。
在 1,000℃ 下合成的 Pd-Se 催化剂，其氧还原反应半波电位（half-wave potential）高达 0.931V，高于商用铂基催化剂（Pt/C）的数值。这意味着在相同条件下，氧可在更低能量消耗下被还原，是体现 Pd-Se 催化剂优异电化学活性的代表性指标。
研究团队基于密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算了各 Pd-Se 晶相的电子结构，揭示了这些晶相分别对氧还原反应过程中不同中间步骤进行优化，从而提升催化性能。
由此确认，这三种 Pd-Se 物质在氧还原反应（ORR）过程中各司其职，形成相互补充的关系：Pd 负责氧分子的初始吸附；Pd17Se15 稳定反应初期的中间体，防止反应中断；Pd4Se 则稳定吸附后续阶段的中间体，从而提高整体反应速率。
Lim Hyeonseop 教授表示：“本研究是从实验和理论两方面证明不同 Pd-Se 晶相能够相互协调，从而优化电化学反应各个阶段的一个案例。”他还表示：“这项技术极有可能被用作高性能燃料电池、金属空气电池、水电解系统等下一代环保能源领域的核心技术。”
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