2014年2月5日，Nature出版集团（NPG）旗下综合性期刊《科学报告》（Scientific Reports）刊发了我校材料复合新技术国家重点实验室燃料电池课题组木士春教授在高效质子交换膜燃料电池（Proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）催化剂方面的创新性研究成果，论文题目为：Nano Conductive Ceramic Wedged Graphene Composites asHighly Efficient Metal Supports for Oxygen Reduction。该项研究成果由我校独立完成。

PEMFC以氢气作为燃料，并与空气中的氧发生电化学反应生成电力和水。由于整个发电过程没有污染物生成，而且氢气还具有循环再生等优点，其研究与开发已受到世界各国的高度关注。经过30多年发展，PEMFC作为车载动力电源已取得较大进展，然而其高昂的成本和耐久性问题仍极大限制了其产业化进程。这主要是因为电池中必需用到贵金属铂 (Pt) 作为催化剂；此外，由于PEMFC运行环境非常苛刻，Pt基催化剂容易发生降解，导致催化活性降低。因此，大幅降低Pt用量并提高催化剂的稳定性已成为实现PEMFC产业化的关键。      

本项研究通过将具金属导电特性的ZrB₂纳米导电陶瓷作为纳米楔（nano-wedge）楔入到少层的石墨烯堆积体中，制备了一种新颖的纳米导电陶瓷/石墨烯三维复合材料。将该新型纳米复合材料担载贵金属Pt催化剂后研究发现，其Pt催化剂电化学活性面积高达148 m² g^-1，已接近其理论几何比表面积；而且，催化剂的氧化原活性（16.8 A g^-2）分别为氧化还原石墨烯载Pt催化剂和商业Pt/C催化剂的2倍与5倍；此外，在分别经4000圈CV电化学加速及I-t计时电流电化学氧化腐蚀试验后，合成催化剂的电化学稳定性均优于上述两种作为对比的催化剂。木士春教授及合作者提出了纳米导电陶瓷的纳米楔效应（nano-wedge effect），用以解释实验结果，即将作为纳米楔的纳米导电陶瓷楔入到少层石墨烯层堆积体间，一方面改善了传质并增大了几何比表面积；同时，具有较高密度的纳米楔还可阻止石墨烯片层产生褶皱，有利于提高Pt催化剂的利用率及保持复合载体材料的结构稳定性，而且具有高导电特性的陶瓷纳米楔还可阻止Pt纳米粒子的迁移与团聚，从而大幅提高催化剂的电化学活性面积、氧还原活性并改善催化剂的电化学稳定性。

上述研究工作得到了国家自然科学基金委和国家973计划项目的资助。

发布：材料复合新技术国家重点实验室  时间：2014-02-17

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