本系陳燦耀老師研究成果獲選為 Nature Communication 2019.02 能源材料精選論文 - 國立清華大學工程與系統科學系
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本系陳燦耀老師研究成果獲選為 Nature Communication 2019.02 能源材料精選論文

Nature Communications期刊主編群於該期刊網頁擷集近期能源材料研究精華,本系 (國立清華大學工程與系統科學系) 陳燦耀教授 發表於該期刊的論文: Platinum-trimer decorated cobalt-palladium core-shell nanocatalyst with promising performance for oxygen reduction reaction,應用於燃料電池發電技術,其優異的材料效能、機制探討與新式材料結構設計的創新理念受到編輯Jacilynn Brant青睞選為2019年二月份焦點論文。

 

燃料電池為不受熱力學限制的發電技術,具有高效率、低汙染與高輸出的絕佳供電能力,可作為下世代行動載具的動力系統或是扮演電網中核心發電系統之一。在燃料電池的各項零組件中,陰極材料為燃料電池效率的心臟,執行氧還原反應。該反應活性與穩定度為互相競爭的材料特質,當材料反應活性愈高,化學反應造成的腐蝕效應往往愈強,材料穩定性愈差,過去科學界致力發展不同型態的材料,不論是改變組成或是外型控制,都無法同時兼顧,陳燦耀教授團隊以具有奇特三角形排列的白金原子觸媒修飾奈米晶體,使鹼性燃料電池陰極觸媒發揮絕佳的氧還原反應活性與穩定性,該技術使原子觸媒維持高工作電流下(相對商用觸媒提高30倍質量電流密度)連續工作四個月(322,000次的循環壽命)都沒有效率衰退,此三角形金屬原子觸媒修飾方法為科學界首次在金屬奈米顆粒表面實現,為下世代鹼性燃料電池的材料設計建立新里程碑。

 

陳教授團隊以 室溫原子淬冷技術合成高密度三角形白金原子觸媒,此技術製造容易,可快速且大量合成具有超高活性,超長效耐久度與極低貴金屬含量之電極材料。此外,該技術可任意調控材料中各種組成比例,在超過十種金屬配比中皆達成高氧還原反應電流密度(2000 mA mg-1, 商用材料活性為200 mA mg-1),其中有超過五種配比可達成超長工作時效(連續高電流電壓循環超過10萬次掃描週期),近期將目標希望可達成超過100萬次電壓循環測試(等同於連續一年高電流工作),遠超過商業化耐久度測試標準(1個月連續電壓循環測試)。同時亦將材料工作電流強度提高十倍以上 (22,000 mA mg-1),並成功在燃料電池中驗證可行性與大幅提高工作效率300%。團隊採用同樣技術利用銥、金原子團塊表面修飾大幅提升二元金屬奈米材料對氧還原與二氧化碳還原的反應效率,在實驗團隊的結構分析技術與理論計算結果提供了金屬原子觸媒量子催化效應的最初步的見證。研究成果可望應用於原子級載鉑先進燃料電池觸媒,做為高效能車載動力系統,或是太空載具中的電力來源。

 

該研究工作的材料分析,於國家同步輻射研究中心TLS 17C1TLS 01C1光束線進行X光吸收光譜實驗,在TLS 24A1 進行X光光電子能譜及紫外光電子能譜實驗,而X射線繞射的數據乃於日本SPring-8的台灣光束線SP12B2量測。研究所需經費由科技部計畫(計畫編號: MOST 106-2112-M-007-016-MY3),清華大學計畫(Higher Education Sprout Project, Competitive Research Team, National Tsing Hua University, Hsinchu 30013, Taiwan)以及科技部與教育部偕同專案計畫(Hierarchical Green-Energy Materials (Hi-GEM) Research Center, from The Featured Areas Research Center Program within the framework of the Higher Education Sprout Project by the Ministry of Education (MOE) and the Ministry of Science and Technology (MOST 107-3017-F-006-003) in Taiwan)資助。

 

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